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GENÉTICA AULA 4 Profª Fernanda Eliza Toscani Burigo 2 CONVERSA INICIAL Nas aulas anteriores, abordamos os princípios da hereditariedade, ou seja, como as informações são transmitidas ao longo das gerações. Nesta aula, destacaremos a importância da manutenção da integridade do DNA e do número de cromossomos, demonstrando que, quaisquer alterações nessas estruturas podem acarretar em problemas e desordens sérias em um organismo. Da mesma forma, também será salientada a importância das mutações como fontes de variabilidade genética, sendo elementos primordiais na evolução. São objetivos desta aula: Objetivo geral: compreender os mecanismos de mutações estruturais do DNA. Objetivos específicos: Distinguir a mutação como um dos mecanismos que alteram a informação genética, bem como as causas desse processo; Diferenciar mutações gênicas e cromossômicas, relacionando-as a situações do cotidiano; Destacar os principais agentes mutagênicos, bem como suas atuações sobre o DNA; Compreender as principais anomalias cromossômicas humanas, comparando cariótipos humanos normais com alterados; Identificar os principais mecanismos genéticos ligados às neoplasias. TEMA 1 – MUTAÇÕES As mutações (em especial as gênicas) são caracterizadas por alterações na sequência de bases nitrogenadas de um determinado gene, ocasionadas por erros na duplicação do DNA durante a fase S da interfase. Normalmente, são reconhecidas por seus efeitos maléficos, ao causarem doenças e malformações. No entanto, as mutações são fontes primárias de variabilidade genética, ocorrendo para favorecer a sobrevivência do indivíduo ao ambiente, podendo ser mantidas ao longo das gerações, se positivas (seleção positiva) ou eliminadas, caso prejudiciais (seleção negativa). É importante ressaltar que as mutações são fundamentais no processo da evolução, uma vez que altera o número de alelos disponíveis, aumentando a variabilidade. 3 Nesse sentido, vale ressaltar a diferença entre os termos mutante e selvagem. No primeiro caso, há referência ao fenótipo incomum, uma expressão diferente do padrão do gene que sofreu a mutação. Já o termo selvagem refere-se ao fenótipo padrão ou expressão fenotípica do gene sem alteração. As mutações podem ser classificadas de diversas formas: de acordo com as proporções de genes alterados, sendo denominadas de gênicas ou cromossômicas. Já em relação à etiologia, podem ser classificadas em espontâneas ou induzidas. Quanto ao efeito produzido, podem ser classificadas em diretas, reversas, silenciosas ou neutras. Por fim, quanto ao tipo de célula envolvida, classificam-se em somáticas ou gaméticas. Abaixo são descritas cada uma delas. 1.1 Classificação quanto às proporções alteradas As mutações podem envolver tanto uma sequência de bases nitrogenadas de um gene, sendo chamadas de mutações gênicas, como podem abranger maiores proporções, alterando os cromossomos, tanto em sua estrutura quanto no número total, sendo denominadas de cromossômicas, estruturais ou numéricas, respectivamente. As mutações cromossômicas serão abordadas com mais detalhes no tema 3. As alterações que ocorrem em um gene específico, modificando assim um trecho de DNA, são denominadas de mutações gênicas ou pontuais. Estas estão relacionadas à perda, substituição ou adição de um único nucleotídeo, o que pode levar a formação de um gene capaz de codificar uma proteína diferente da original. As mutações pontuais podem ser de três tipos: substituição de base, deleção ou perda de base, adição ou inserção de base, conforme demonstra a Figura 1. As mutações por substituição são denominadas de acordo com o tipo de base envolvida - caso as bases sejam do mesmo tipo, ou seja, substituição de uma pirimidina (C ou T) por outra pirimidina ou de uma purina (A ou G) por outra purina, a mutação é chamada de transição. No entanto, se a substituição envolver bases de diferentes tipos, isto é, uma purina por uma pirimidina ou vice-versa, a mutação chama-se transversão. Ambos os tipos de substituição podem levar a troca de um aminoácido, sendo chamada de mutação com sentido trocado, ou pode fazer surgir um stop codon, o que finalizaria antecipadamente a síntese da proteína, sendo denominada de mutação sem sentido. No primeiro caso, a substituição do aminoácido leva à síntese de uma proteína modificada, com redução ou perda da 4 atividade biológica normal; é o que ocorre nos casos da hemoglobina na anemia falciforme (observe a sugestão para leitura no box abaixo) e da insulina na diabetes tipo 1. Leitura complementar Leia o artigo disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/abem/v52n2/08.pdf>. Acesso em: 9 fev. 2020, que retrata as diferentes variações de diabetes tipo 1. No segundo caso, a cadeia polipeptídica é encurtada e dificilmente conserva sua atividade biológica. É importante considerar que substituições de base alteram somente um aminoácido da proteína, reduzindo sua atividade, mas não a abolindo. Saiba mais: A importância do aconselhamento genético na anemia falciforme. Disponível em: <https://www.scielosp.org/scielo.php?pid=S1413- 81232010000700085&script=sci_arttext>. Acesso em: 9 fev. 2020. O link abaixo explica a base molecular da anemia falciforme: Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/jbpml/v39n1/v39n1a10>. Acesso em: 9 fev. 2020. Em contrapartida, as deleções de base, bem como as adições, alteram toda a leitura do código genético, sendo, portanto, conhecidas como mutações de mudança na leitura do código genético. Nos dois casos, a função da proteína é praticamente anulada. Cada códon, ou seja, sequência de três bases nitrogenadas, é responsável pela produção de um aminoácido. Assim, a deleção ou inserção, seja de três bases ou múltiplos de três, resultará na perda ou adição de aminoácidos na proteína, embora não altere a estrutura de leitura das bases da sequência restante. Entretanto, se tais alterações não envolverem três bases ou múltiplos de três, a leitura da cadeia polipeptídica será alterada até o fim. 5 Figura 1 – Principais tipos de mutações pontuais Fonte: Soleil Nordic/shutterstock. 1.2 Classificação de acordo com a etiologia De acordo com sua origem, as mutações podem ser espontâneas ou induzidas. No primeiro caso, ocorrem sem que haja qualquer fator capaz de provocá-las, ou seja, naturalmente, sem a interferência de qualquer substância. Em geral, as mutações adaptativas são espontâneas. Já as mutações induzidas são provocadas por agentes mutagênicos, os quais podem ser físicos, químicos ou biológicos, conforme destacado no tema 4. Nesse caso, uma determinada substância, como a radiação, provoca alterações na molécula de DNA, alterando sua estrutura, conforme exemplificado na figura a seguir. 6 Figura 2 – Exemplo de mutação induzida pela ação da radiação Fonte: <http://www.rafaelgontijo.com.br/radiacao.html>. Acesso em: 9 fev. 2020. 1.3 Classificação conforme o efeito no organismo Conforme o efeito produzido no organismo, as mutações podem ser classificadas em diretas, reversas, silenciosas ou neutras. As mutações diretas levam à troca do aminoácido original por um novo, alterando o fenótipo selvagem. As mutações reversas levam ao processo inverso das mutações diretas, ou seja, faz com que o fenótipo mutante retorne ao selvagem. As mutações silenciosas produzem um códon sinônimo, no qual o aminoácido não é alterado e isso é possível graças ao código genético ser degenerado, isto é, diferentes códons podem codificar o mesmo aminoácido e, nesse caso, não promovem efeitos no fenótipo do indivíduo, podendo ser detectadas somente pela análise comparativa entre a sequência genética normal e a mutante. Por fim, nas mutações neutras, a substituição de base altera o aminoácido– substituindo-o por outro quimicamente similar, mas não afeta a atividade da proteína. 1.4 Classificação de acordo com o tipo de célula envolvido As mutações podem ocorrer nas células somáticas ou gaméticas, produzindo efeitos adversos em cada caso. Nas mutações somáticas, por envolver células do próprio organismo, gera-se um prejuízo para o indivíduo que possui estas células, estando diretamente relacionadas com doenças degenerativas ou com a formação de tumores. Caso atinjam células de um embrião, podem causar o mosaicismo, caracterizado pela presença de duas ou mais linhagens celulares 7 diferentes no mesmo indivíduo. Diversas disfunções genéticas têm demonstrado mosaicismo somático, como a síndrome de Down e a neurofibromatose. Já caso as mutações ocorram nas células germinativas, são denominadas de mutações gaméticas e fatalmente serão transmitidas às futuras gerações, embora não causem prejuízo ao seu portador. Alguns autores ainda sugerem uma outra classificação, de acordo com a transmissão da mutação para outras gerações: mutações transmitidas de forma inalterada são denominadas de estáveis ou fixas, enquanto que as mutações que sofrem alterações ao ser transmitidas são chamadas de mutações instáveis ou dinâmicas. As mutações estáveis relacionam-se às substituições, deleções ou adição de bases. Em contrapartida, as instáveis ou dinâmicas consistem em sequências repetidas de códons, que ocorrem de forma aumentada, denominada de amplificação. Embora ainda desconhecidas as causas da amplificação gênica, já se sabe que elas estão relacionadas diretamente à ativação de oncogeneses no processo carcinogênico. TEMA 2 – MUTAÇÕES NO DNA E FATORES MUTAGÊNICOS Conforme destacado anteriormente, as mutações no DNA podem ser induzidas por alguns fatores, os quais são denominados de agentes mutagênicos, os quais podem ser classificados em químicos, físicos ou biológicos. Os agentes químicos são substâncias químicas capazes de alterar as ligações características da molécula de DNA, bem como promover a substituição de nucleotídeos. O benzopireno, substância derivada da queima do alcatrão (presente no cigarro), o óxido nitroso (presente no gás hilariante), o gás mostarda, os organofosforados (base dos agrotóxicos), o benzeno (derivado da queima da gasolina) e diversos conservantes de alimentos são alguns exemplos de fatores químicos capazes de produzir alterações no patrimônio genético de um indivíduo, produzindo diversas doenças, como o câncer. O quadro a seguir resume os principais mutagênicos químicos, bem como sua atuação no material genético. https://www.infoescola.com/doencas/neurofibromatose/ 8 Quadro 1 – Resumo da ação dos principais mutagênicos químicos MUTAGÊNICO QUÍMICO AÇÃO SOBRE O DNA ANÁLOGOS DE BASE Estrutura química se assemelha às bases do DNA, podendo ser incorporados a eles. COMPOSTOS COM AÇÃO DIRETA Modificam diretamente a estrutura das bases nitrogenadas. AGENTES ALQUILANTES Agem sobre a guanina, que se perde da molécula, podendo entrar qualquer base no seu lugar. É o agente mutagênico mais potente. CORANTES DE ACRIDINA Inserem-se entre as bases, fazendo com que haja distorção na dupla-hélice, o que resulta na adição ou deleção de nucleotídeos. Os agentes físicos, exemplificados principalmente pelos diferentes tipos de radiação, são capazes de danificar as ligações químicas entre os nucleotídeos, através da deslocação de elétrons dos átomos, os quais “quebram” as ligações fosfodiesteres, alterando a estrutura das bases nitrogenadas. Dentre as radiações, destacam-se as ionizantes e os raios ultravioletas (UV). As ionizantes, exemplificadas pelos raios-X e pelas partículas emitidas por elementos radioativos, como o césio e o urânio, induzem a liberação de elétrons, provocando a instabilidade de moléculas, combinando-se com o DNA e levando ao pareamento errôneo de bases. Além disso, rompe algumas ligações, o que gera quebras cromossômicas. Os raios UV, por sua vez, são menos energéticos que os ionizantes, possuindo como principal efeito mutagênico o impedimento do pareamento entre a timina e a adenina, formando ligações entre duas moléculas adjacentes de timina. Portanto, estão diretamente relacionadas às mutações pontuais, mas dificilmente provocam alterações cromossômicas. Por fim, os agentes biológicos, representados por vírus e bactérias, atuam na promoção de mutações, uma vez que inserem parte do seu material genético no DNA da célula hospedeira, o que pode induzir a erros de leitura do gene em questão, bem como promover falhas genéticas. O papiloma vírus humano (HPV) está intrinsicamente relacionado ao câncer de colo de útero, conforme figura 3, assim como o vírus da hepatite B (HBV) provoca mutações que podem levar ao hepatocarcinoma ou à cirrose hepática. 9 Figura 3 – Processo de mutagênese a partir da infecção pelo HPV Fonte: Slave SPB/shutterstock. Vale destacar que vários dos agentes mutagênicos também são classificados como carcinogênicos, uma vez que, além de promover as alterações genéticas, também levam ao desenvolvimento das neoplasias. É o que ocorre com a radiação (melanoma e câncer de pele), com o benzopireno (câncer de pulmão e orofaringe) e os vírus HPV (colo de útero) e HBV (hepatocarcinoma), conforme supracitado. Assim, todo agente carcinogênico é mutagênico (pois o câncer deriva de uma mutação no DNA), mas nem todo mutagênico é carcinogênico. TEMA 3 – MUTAÇÕES CROMOSSÔMICAS E PRINCIPAIS ANOMALIAS CROMOSSÔMICAS NA ESPÉCIE HUMANA 3.1 Mutações cromossômicas Um indivíduo física e psicologicamente normal está intimamente relacionado com a estabilidade – numérica e estrutural – dos cromossomos que possui. Quaisquer alterações nessas importantes estruturas, que armazenam os genes, podem gerar um indivíduo fenotipicamente anormal e até mesmo inviável. As mutações cromossômicas podem ser classificadas em numéricas ou estruturais. 10 a) Mutações cromossômicas numéricas Envolvem a alteração no número total de cromossomos, podendo ter cromossomos a mais ou a menos. Dividem-se em dois tipos: euploidias e aneuploidias. As euploidias caracterizam-se pelo acréscimo ou pela perda de um conjunto cromossômico, ou seja, n cromossomos. Quando há o acréscimo, gera indivíduos com poliploidia – triploides (3n), tetraploides (4n) e assim sucessivamente. Na espécie humana, casos de poliploidia são associados a abortos espontâneos. Já nas plantas, é um mecanismo evolutivo importante, podendo ser observado no endosperma das plantas com flores, sendo um tecido triploide, originado a partir da fusão dos dois núcleos polares do óvulo e um núcleo de gameta masculino, responsável por armazenar nutrientes para o desenvolvimento do embrião. Em geral, a formação de indivíduos poliploides é ocasionada por erros na fase de maturação da gametogênese, na qual ocorre a primeira divisão meiótica e também pela dispermia, fenômeno de fertilização de um óvulo por dois espermatozoides. Em tumores sólidos e leucemias, algumas células podem ser poliploides. Quando ocorre a perda de um conjunto cromossômico, tem-se um caso de haploidia, sendo anormal em indivíduos cujas células somáticas são diploides, mas pode ser normal em alguns seres vivos, como é o caso dos zangões, os quais se formam por partenogênese, isto é, desenvolvimento de um óvulo não fecundado. Tem sido considerado um mecanismo importante de especiação em alguns seres vivos. As aneuploidias caracterizam-se pela presença (2n + 1 ou 2n + 2) ou ausência (2n – 1) de um ou mais cromossomos de cada par, gerando indivíduos com um número um pouco acima ou abaixo do normal da espécie (no caso dos seres humanos, o normal são 46 cromossomos; nas aneuploidias, são formados indivíduos com 45, 47 ou 48 cromossomos). Como a alteração no número é bem inferior do que na euploidia,a maioria das aneuploidias gera indivíduos viáveis, embora com algumas alterações físicas e psicológicas, caracterizando as síndromes. Em geral, as aneuploidias são oriundas de um processo denominado de não disjunção ou não separação de um ou mais pares de cromossomos homólogos durante a anáfase meiótica (I ou II) – vide figura 4. Durante a meiose, um dos eventos mais importantes é a separação dos cromossomos homólogos na anáfase I e das cromátides-irmãs na anáfase II. Tal separação garante que as células-filhas possuam a metade de cromossomos da célula inicial, o que mantém a quantidade de cromossomos constante para cada espécie. Assim, erros durante 11 a separação dos cromossomos impedem tal equilíbrio, produzindo células com número anormal de cromossomos. Ainda, as aneuploidias podem ser ocasionadas pela perda de um cromossomo, devido a uma separação atrasada durante a anáfase. Problemas na formação das fibras do fuso podem ser cruciais nos dois mecanismos de origem. Figura 4 – Esquema da não disjunção de cromossomos durante a meiose Fonte: Zuzanae/Shutterstock. As aneuploidias podem ser classificadas em três tipos principais, mais comumente observadas: nulissomia (2n – 2), quando se perde os dois membros de um par de cromossomos, sendo, normalmente, letais; monossomia (2n – 1), quando só se perde um dos cromossomos de um par. A única monossomia viável para a espécie humana é a do cromossomo sexual X, devido ao mecanismo de compensação de dose, já citado anteriormente, caracterizando a síndrome de Turner (XO). A monossomia de autossomos é inviável, levando ao aborto espontâneo ou a natimortos. Por fim, as trissomias (2n + 1), mais frequentemente citadas, são as alterações que envolvem um acréscimo de um cromossomo de um par, triplicando-o, ao invés do normal com duas cópias. Relacionam-se às alterações mentais e cognitivas, além de malformações congênitas. Como exemplos, podemos citar a trissomia do cromossomo 21, mais conhecida por síndrome de Down e a trissomia do cromossomo 13 ou síndrome de Patau. As principais síndromes serão detalhadas abaixo e também no estudo de cariótipos, tema 4. 12 b) Mutações cromossômicas estruturais São mutações que afetam a estrutura do cromossomo, podendo ser classificadas em dois grandes grupos: alterações que alteram o número de genes – deleções e duplicações – e alterações nas quais se modifica a posição dos genes no cromossomo, tais como as translocações e inversões, resumidas na Figura 5. Figura 5 – Resumo das principais alterações cromossômicas estruturais Fonte: Aldona Griskeviciene/shutterstock. As deleções ocorrem quando há perda de parte de um fragmento cromossômico, devido a quebras em pontos específicos, podendo ser resultantes de uma simples quebra, ocorrendo na porção terminal do cromossomo (deleção terminal), ou de uma dupla quebra, na qual um segmento interno é perdido, sendo seguida da junção dos segmentos quebrados (deleção intersticial), conforme demonstra a Figura 6. Seus efeitos dependem da quantidade e dos tipos de genes deletados, mas costumam ser danosas. Um exemplo importante é a síndrome do Cri Du Chat ou síndrome do miado de gato, ocasionada pela deleção de um segmento do braço curto do cromossomo 5. 13 Figura 6 – Deleção terminal e deleção intersticial Fonte: <http://m.geneticavirtual.webnode.com.br/genetica-virtual- home/prefacio/muta%C3%A7%C3%B5es%20cromossomicas/aberra%C3%A7%C3%B5es- cromossomicas-estruturais/>. Acesso em: 9 fev. 2020. As duplicações caracterizam-se pela repetição de um ou mais segmentos cromossômicos, promovendo um aumento no número de genes, ocasionadas normalmente por um crossing over desigual, produzindo segmentos duplicados. São mais comuns e geram menos prejuízos do que as deleções, sendo consideradas importantes sob o aspecto evolutivo. Na inversão, há a quebra do cromossomo em dois pontos, sendo que o fragmento localizado entre os dois pontos sofre um giro de 180º, fundindo-se novamente nos pontos de origem. Dessa forma, a sequência de genes posiciona- se de forma invertida ao normal. De acordo com a presença ou não do centrômero no segmento invertido, a inversão pode ser classificada em pericêntrica – apresenta o centrômero – ou paracêntrica – o centrômero não está envolvido (Figura 7). As inversões raramente causam prejuízos nos portadores. 14 Figura 7 – Tipos de inversão Por fim, as translocações envolvem a transferência de segmentos cromossômicos entre dois cromossomos não homólogos, que se quebram simultaneamente. Podem ser recíprocas, quando as trocas ocorrem entre cromossomos que sofreram quebras, ou não recíprocas, quando um segmento de um cromossomo se liga a outro, mas sem que haja troca entre eles. Esse caso envolve a formação do cromossomo Filadélfia, característico da leucemia mieloide crônica, o qual se origina da translocação entre os cromossomos 9 e 22. Um fragmento do braço longo do cromossomo 22 é deslocado e se fixa no cromossomo 9, tornando o cromossomo 22 muito menor do que o comum. Ainda, é possível destacar as translocações robertsonianas, também denominadas de fusões cêntricas, as quais estão relacionadas a cromossomos acrocêntricos, havendo quebras nos centrômeros, o que gera a translocação de braços inteiros. O esquema abaixo resume os principais tipos de mutações, em especial, as cromossômicas. 15 Figura 8 – Mutações 3.2 Anomalias cromossômicas Os quadros abaixo, resumidos e adaptados a partir de Borges-Osório (2001), sintetizam as principais anomalias cromossômicas na espécie humana, sejam elas autossômicas (trissomias e monossomias) ou sexuais. Quadro 2 – Características de síndromes autossômicas do tipo trissomia SÍNDROME CARACT. DOWN (FIG.8) EDWARDS (FIG. 9) PATAU CARIÓTIPO 47, XX ou XY, +21 47, XX ou XY, +18 47, XX ou XY, +13 ANOMALIA CROMOSSÔMICA Aneuploidia: trissomia do cromossomo 21 (95% livre; 4% translocação; 1% mosaicismo) Aneuploidia: trissomia do cromossomo 18 (80% livre; 10% mosaicismo; 10% aneuploidias duplas) Aneuploidia: trissomia do cromossomo 13 (80% livre; 20% translocação ou mosaicismo) EXPECTATIVA DE VIDA Reduzida; morte por doenças respiratórias ou cardíacas; risco aumentado de leucemia aguda Baixa; 30% morrem antes de um mês e 10%, antes de um ano; meninas têm maior sobrevida; Baixíssima; 45% morrem antes de um mês, 90%, antes dos 6 meses e 5%, antes dos 3 anos; 16 mosaicos têm maior expectativa excepcionalmente os mosaicos podem sobreviver ÁREA NEUROLÓGICA Retardo mental variável; hipotonia Retardo mental; hipotonia; retardo do crescimento Retardo mental e motor; hiper ou hipotonia; defeitos cerebrais ESTRUTURA CORPORAL Cabeça com occipício1 e face achatados; pescoço e membros curtos; cardiopatias congênitas em 50% dos casos; estatura baixa Cabeça com occipício proeminente; pescoço curto; cardiopatias congênitas em 99% dos casos; mãos fortemente fechadas Microcefalia, anoftalmia ou microftalmia; pescoço curto; cardiopatias congênitas em 88% dos casos; mãos com polidactilia; estatura baixa Quadro 3 – Características de síndromes autossômicas do tipo monossomia SÍNDROME CARACT. MONOSSOMIA 5p MONOSSOMIA 4p MONOSSOMIA 18q CARIÓTIPO 46, XX ou XY, 5p 46, XX ou XY, 4p 46, XX ou XY, 18q ANOMALIA CROMOSSÔMICA Anomalia estrutural, deleção do braço curto do cromossomo 5 Anomalia estrutural, deleção do braço curto do cromossomo 4 Anomalia estrutural, deleção parcial do braço longo do cromossomo 18 EXPECTATIVA DE VIDA Variável Variável Variável ÁREA NEUROLÓGICA Retardo mental grave e neuromotor; hipotonia na criança e hipertonia no adulto Retardomental grave, neuromotor e do crescimento; convulsões; hipotonia Retardo mental grave, neuromotor e do crescimento; hipertonia ESTRUTURA CORPORAL Microcefalia; expressão de alerta; cardiopatias congênitas em 30% dos casos; membros malformados Microcefalia; protuberâncias frontais; cardiopatias congênitas em 40% dos casos; pés tortos, dedos e unhas malformados Microcefalia, com afundamento central da face; cardiopatias congênitas em 40% dos casos; malformações diversas; alta contagem de cristas com muitos verticilos 1Região posterior ou ínferoposterior do crânio, em que se verifica a articulação com a coluna verte- bral e onde (nos vertebrados de endosqueleto ósseo) se encontra o osso occipital. 17 Quadro 4 – Características de síndromes cromossômicas sexuais SÍNDROME CARACT. TURNER (Fig. 10) KLINEFELTER (Fig. 11) TRIPLO X CARIÓTIPO 45, X0 46, XXY ou 47, XXXY 47, XXX ANOMALIA CROMOSSÔMICA Aneuploidia do par sexual (77% por não disjunção na meiose paterna e 23%, na materna); 40% são mosaicos Aneuploidia do par sexual (60% por não disjunção na meiose paterna e 40%, na materna); 15% são mosaicos Aneuploidia do X, por não disjunção meiótica paterna ou materna. EXPECTATIVA DE VIDA Reduzida Variável Normal ÁREA NEUROLÓGICA Bom desenvolvimento intelectual, com deficiências específicas; imaturidade intelectual Desenvolvimento intelectual de regular a bom, com deficiências específicas, passividade, desorganização, falta de persistência; às vezes comportamento sociopatológico Retardo mental leve (65% dos casos); dificuldades verbais e na memória de curto prazo; incoordenação motora leve; desatenção; imaturidade social ESTRUTURA CORPORAL Fácies características; tórax largo; mamas pouco desenvolvidas; cardiopatias congênitas em 35% dos casos; infertilidade, trirrádio axial distal; estatura baixa Ausência de barba; ausência de pelos no corpo; infertilidade; osteoporose; pernas muito longas; baixa contagem de cristas; estatura alta; ginecomastia (mamas) Orelhas anormais; dermatite constante; problemas dentários; hérnia inguinal; subfertilidade; excesso de arcos e alças radiais; estatura alta 18 Figura 9 – Principais características de um indivíduo com síndrome de Down Fonte: Sebastian Kaulitzki/shutterstock. Figura 10– Principais características de um indivíduo com síndrome de Edwards Fonte: Jefferson Schnaider. 19 Figura 11 – Principais características de um indivíduo com síndrome de Turner Fonte: Jefferson Schnaider. Figura 12 – Principais características de um indivíduo com síndrome de Klinefelter Fonte: Jefferson Schnaider. 20 TEMA 4 – TRABALHANDO COM CARIÓTIPOS HUMANOS NORMAIS E ALTERADOS Antes de destacarmos e analisarmos os principais cariótipos humanos, sejam eles normais ou alterados, vale conceituar o que são cariótipos, sua importância e aplicação. Cariótipo é o conjunto total (diploide) de cromossomos de uma determinada espécie. Na espécie humana, deve conter 46 cromossomos, considerando-se indivíduos normais, conforme demonstra a Figura 13. Podem ser representados de duas maneiras: ideogramas ou cariogramas. Os primeiros são representações esquemáticas, organizando os cromossomos conforme grupos. Já os cariogramas são fotomicrografias contendo os cromossomos ordenados. Figura 13 – Cariótipo humano normal: masculino e feminino Fonte: Kateryna Kon/Shutterstock. Para posicionar adequadamente os cromossomos, há algumas regras a ser observadas: deve-se considerar a classificação dos cromossomos quanto à posição do centrômero – podem ser classificados em acrocêntricos, metacêntricos, submetacêntricos e telocêntricos (não são observados na espécie humana - vide Figura 14) e também em relação à classificação universal de Denver, que divide os cromossomos em sete grupos, conforme observado no Quadro 5. 21 Figura 14 – Classificação dos cromossomos conforme a posição do centrômero Fonte: Jefferson Schnaider. Quadro 5 – Classificação universal de Denver Repare que, em um indivíduo normal, podem ser observados 23 pares de cromossomos – os homólogos, sendo 22 pares de cromossomos autossômicos e um par de cromossomos sexuais, totalizando 46 cromossomos. Assim, podemos representar a estrutura cromossômica de um indivíduo normal por 46, 44A + XX, caso se trate de uma mulher ou 46, 44A + XY, se for um homem. 22 Qualquer alteração no número ou estrutura dos cromossomos poderá ser observada no cariótipo, sendo uma ferramenta fundamental na pesquisa de anomalias cromossômicas, em especial, uma vez que só se mostra útil na resolução de casos de mutações gênicas quando se apresentar relativamente grande, como no caso das deleções. Abaixo, são analisados os cariótipos de algumas das síndromes destacadas anteriormente, no tema 3. A imagem a seguir representa o cariótipo de um indivíduo com síndrome de Down, neste caso, do sexo feminino. Como essa síndrome se refere a um caso de trissomia do cromossomo 21 – possuindo um cromossomo a mais do que o normal, sua representação será: 47, 45A, XX + 21 – destacando a presença de um cromossomo 21 a mais. Figura 15 – Cariótipo de uma mulher com síndrome de Down Fonte: Soleil Nordic/Shutterstock Os três próximos cariótipos, representados pelas Figuras 15, 16 e 17, destacam as anomalias cromossômicas relacionadas aos cromossomos sexuais. Na Figura 16, pode-se observar a síndrome do triplo X, facilmente detectada pela presença de um cromossomo X a mais – 47, 44A + XXX. 23 Figura 16 – Cariótipo de um indivíduo com a síndrome do Triplo X Fonte: Soleil Nordic/Shutterstock. Já a Figura 17, na qual observa-se a ausência de um cromossomo sexual, caracteriza o cariótipo de uma mulher com síndrome de Turner – monossomia, cuja representação é: 45, 44A + X0 (o zero refere-se à ausência do cromossomo sexual). Figura 17 – Cariótipo de mulher com síndrome de Turner Fonte: Soleil Nordic/Shutterstock Por fim, na Figura 18 é destacada a síndrome de Klinefelter, a qual sempre afetará homens, que possuirão um cromossomo X a mais, como se observa abaixo, representada por: 47, 44A + XXY. Figura 18 – Cariótipo de um homem portador da síndrome de Klinefelter 24 Fonte: Soleil Nordic/Shutterstock. TEMA 5 – GENÉTICA DO CÂNCER O câncer (definição mais apropriada para tumores malignos) ou neoplasia é uma doença diretamente relacionada às alterações gênicas ou cromossômicas, as quais levam à expressão errônea de uma proteína ou mais proteínas, desencadeando o crescimento e a proliferação desenfreada das células. Tal processo de desenvolvimento de um tumor é denominado de carcinogênese (gênese = origem; carcino = câncer) e envolve uma série de etapas, desde a mutação inicial ao desenvolvimento de tumores secundários, com alto grau de malignidade. De acordo com os efeitos que produz no organismo, os tumores podem ser classificados em dois tipos: benignos ou malignos. Os primeiros são bem diferenciados, isto é, suas células se assemelham às do tecido de origem, desenvolvem-se em uma massa única, capsulada, com fácil remoção cirúrgica, possuem crescimento lento, poucas mutações genéticas e boa tolerância do hospedeiro. Já os tumores malignos são indiferenciados, sendo que suas células sofrem profundas modificações em relação às células do tecido original, ocasionadas pelo acúmulo de alterações genéticas (abundantes), possuem crescimento rápido e infiltrativo – o que provoca efeitos nocivos no organismo. O nome câncer se aplica a esse tipo de tumor em comparação ao símbolo do signo do zodíaco, representado por um caranguejo: a célula maligna possui projeções que se assemelham às patasde um caranguejo, por isso tal analogia (vide Figura 19). O crescimento desordenado permite que células tumorais se destaquem da massa tumoral principal, cheguem à corrente sanguínea e se instalem em outros órgãos, desenvolvendo tumores secundários, quadro chamado de METÁSTASE. 25 Figura 19 – Imagem comparativa entre um tumor maligno e o símbolo do signo câncer no zodíaco Créditos: Creations/Shutterstock; Jackie Niam/Shutterstock. Toda metástase se relaciona a tumores secundários, que se desenvolvem em outro órgão que não o de origem. É importante ressaltar que tal migração das células tumorais é um evento ordenado, ou seja, as células que se destacam de um tumor principal têm um destino traçado. Por exemplo, se o tumor principal é de pulmão, as células irão se instalar e desenvolver os tumores secundários preferencialmente no fígado, nos ossos ou no cérebro. As células metastáticas assumem algumas características, descritas abaixo: 1. Perda da coesão: redução na produção de caderinas (molécula de adesão celular) células destacam-se da massa principal; 2. Motilidade: capacidade de se movimentar movimento ameboide (atravessam o interstício); Atração quimiotática. 3. Ação sobre a matriz intercelular: rompimento de barreiras através da síntese de enzimas favorece invasão. 26 4. Angiogênese: necessidade de nutrientes leva à formação de novos capilares resposta a sinais específicos, os fatores de crescimento (em inglês, grow factors – GF). Conforme afirma o Instituto Vencer o Câncer (2013, on-line), ONG especializada na divulgação, no apoio e acolhimento de pacientes diagnosticados com neoplasia e seus familiares, os genes que se encarregam de dar início ao processo de multiplicação celular não são os mesmos encarregados de interrompê-lo, tanto na célula normal quanto na célula cancerosa. A harmonia do processo de multiplicação celular dependerá do equilíbrio existente entre esses dois grupos de genes. Eles podem ser comparados ao acelerador e ao freio de um carro, equipamentos que precisam funcionar com precisão, e no tempo certo. O menor defeito num deles pode causar desastre. Quanto às alterações genéticas relacionadas à carcinogênese, é importante relembrar que os genes envolvidos regulam o controle da proliferação e do crescimento celular. Tais genes são classificados em dois grupos principais: a) Proliferativos ou proto-oncogenes Definição: os proto-oncogenes são genes normais, importantes para o crescimento normal das células, pois estimulam a divisão celular; Quando sofre mutações, altera-se, sofrendo a ativação – passa a ser denominados de ONCOGENES. Assim, a célula mantém ativo o sinal para continuamente se dividir, o que leva à formação do tumor; Principais oncogenes: RAS, MYC, BCRA, ERBB-2; Mecanismos de ativação: mutação; translocação cromossômica; amplificação Gênica. b) Antiproliferativos ou Genes Supressores de Tumor (GST) Definição: são genes importantes para o controle da progressão do ciclo celular, atuando de forma antagônica aos oncogenes, uma vez que retardam a divisão celular, promovendo o reparo do DNA (quando alterado) ou induzindo à apoptose (morte celular programada); Quando sofre, a partir de mutações, a inativação ou perda de função, permitem a proliferação descontrolada da célula; Principais GSTs: TP53, CDKN2A (p16 e p19), RB, FHIT, TP73, TP21; 27 Mecanismos de inibição: deleções; mutações pontuais; metilação da região promotora. Saiba mais O gene TP53, cujo produto é a proteína p53 é um dos genes mais importantes na regulação do ciclo celular, estando frequentemente envolvido na carcinogênese. Saiba mais sobre ele fazendo a leitura dos dois artigos abaixo. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/rbhh/v24n2/a04v24n2>. Acesso em: 9 fev. 2020. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/rbepid/v7n2/13.pdf>. Acesso em: 9 fev. 2020. É importante ressaltar que, em alguns tipos de neoplasias, como é o caso da leucemia mieloide crônica, pode ocorrer uma alteração cromossômica, em especial, a translocação entre os cromossomos 9 e 22, sendo esse novo cromossomo anormal, denominado de cromossomo Filadélfia (conforme demonstra a Figura 20 a seguir). A troca de segmentos cromossômicos leva à formação do oncogene BCR-ABL, que produz a proteína tirosina quinase, a qual estimula o crescimento e a reprodução dos leucócitos de forma descontrolada. Figura 20 – Cromossomo Filadélfia oriundo a partir da translocação entre os cromossomos 9 e 22 Fonte: Jefferson Schnaider 28 Vários fatores epidemiológicos podem ser associados ao processo carcinogênico, os quais se relacionam à localização anatômica e podem ter seus efeitos multiplicados quando se associam a dois ou mais fatores, quadro denominado de sinergismo. Assim, quando se unem dois fatores de risco, não se somam as probabilidades de ocorrer um câncer, mas, sim, se multiplicam tais probabilidades. Portanto, a retirada de um fator reduz drasticamente o desenvolvimento do tumor. Abaixo, alguns fatores epidemiológicos e suas relações com os mais variados tipos de neoplasias: 1. Tabagismo: pulmões, estômago, cabeça e pescoço, bexiga, pâncreas, rins; 2. Alcoolismo: vias respiratórias, hepatocarcinoma (fígado), estômago/gastrointestinal; 3. Envelhecimento: próstata, trato gastrointestinal, dentre outros; 4. Exposição ao sol – radiações: câncer de pele, melanoma; 5. Práticas sexuais: colo de útero, câncer anal; 6. Infecções virais: colo de útero (HPV), hepatocarcinoma (HBV). NA PRÁTICA Desenvolva modelos que explicitem os tipos de mutações gênicas; Pesquise 3 anomalias cromossômicas, além daquelas citadas no tema 3, descrevendo-as e destacando seu perfil genético; Desenvolva um folder ou cartaz explicativo sobre a síndrome de Down, caracterizando-a e destacando a luta contra o preconceito. Busque formas de utilizá-lo em um posto de saúde ou escola da sua região; Acesse o link <https://www.ib.usp.br/biologia/bio230/Atividade_6_MontagemCromossomo s.pdf> (acesso em: 9 fev. 2020), e realize uma a organização e montagem de um ideograma; Pesquise as seguintes técnicas de análise molecular para detecção de neoplasias: citogenética, FISH, CRISPR, PCR/eletroforese e Imunohistoquímica. Quais são as aplicações, vantagens e indicações de cada uma?; Leia o artigo Radiação ultravioleta e carcinogênese, disponível em <https://seer.sis.puc- campinas.edu.br/seer/index.php/cienciasmedicas/article/view/1050> 29 (acesso em: 9 fev. 2020) e relacione como a mutação pode levar ao desenvolvimento de neoplasias; Pesquise quais são as principais perspectivas futuras para o tratamento e cura do câncer. FINALIZANDO MUTAÇÕES TIPOS Gênica e cromossômica Espontânea e induzida Diretas, reversas, silenciosas e neutras Somáticas e gaméticas AGENTES MUTAGÊNICOS Radiação, tabagismo, álcool, vírus... ANOMALIAS CROMOSSÔMICAS CARIÓTIPOS NORMAIS E ALTERADOS GENÉTICA DO CÂNCER 30 REFERÊNCIAS BORGES-OSÓRIO, M. R.; ROBINSON, W. M. Genética humana. 2. ed. Porto Alegre: Artmed Editora, 2001. GRIFFITHS, A. J. F. et. al. Introdução à genética. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2009. INSTITUTO VENCER O CÂNCER. Mutações. 30 ago. 2013. Disponível em: <https://www.vencerocancer.org.br/cancer/o-que-e/mutacoes/>. Acesso em: 11 fev. 2020. LOPES, S.; ROSSO, S. Biologia. São Paulo: Saraiva, 2005. PIERCE, B. A. Genética: um enfoque conceitual. 5. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2017. SANDERS, M. Análise genética: uma abordagem integrada. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014. SNUSTAD, P.; SIMMONS, M. J. Fundamentos de genética. 4. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008.