A diversidade genética é manifestada por diferenças em muitos caracteres, incluindo caracteres fenotípicos e diferenças nas proteínas (com ou sem atividade catalítica) e sequências de DNA de quase todos os organismos.
A perda da diversidade genética está geralmente associada com a endogamia e a redução geral na reprodução e sobrevivência (valor adaptativo).
As mutações são a origem primária de toda a variação genética.
A recombinação tem enorme impacto sobre a variação, pois efetivamente realiza a "mistura" entre os genes diferentes dos seres vivos.
A haptoglobina (Hp) é uma glicoproteína de fase aguda da fração 2-globulina do plasma de mamíferos, que pode capturar Hb por formar um complexo de alta afinidade Hp-Hb. A haptoglobina humana expressa um polimorfismo genético através de seus três fenótipos principais – Hp 1-1, 2-1, 2-2 – atribuídos por seus dois alelos comuns – 1 e 2 – localizados no cromossomo 16q22.1. A Hp contém dois tipos de cadeias polipeptídicas: (pesada, 40 kDa) e (leve: 1, 8,9 kDa e 2, 16 kDa). As cadeias são idênticas em todos os fenótipos Hp; variações são devidas à presença de diferentes cadeias . O alelo Hp 2, presente apenas em humanos,
teve sua origem em eventos de duplicação intragênica dos exons 3 e 4 (~1.700 pb) – a partir da fusão de um alelo Hp1Fcom outro Hp1S, presumivelmente por crossing-over desigual entre estes
alelos estruturais. Como consequência desse evento, surgiram os exons 5 e 6 do alelo Hp 2.
Durante a gametogênese, a célula germinativa diploide sofre meiose, produzindo 4 gametas haploides. Como se sabe, os cromossomos segregam-se independentemente, o que possibilita grande número de combinações entre eles, dando origem a vários tipos de gametas. O número de tipos diferentes de gametas produzidos por um indivíduo diplóide é dado por 2n, onde n= lote
haploide de cromossomos.
Recombinação sexual de alelos
Herança monogênica com dominância completa: 10 genes, cada um com 2 alelos, cada um em cromossomos diferentes, cada um produzindo 3 genótipos diferentes (AA, Aa, aa) 59.000 zigotos diferentes em um diplóide sexual (Porquê?)
Em um genoma eucariótico verdadeiro com recombinação livre e ilimitada ocorrendo, o número de possíveis zigotos, é inconcebivelmente maior do que o número de partículas fundamentais do universo.
A variabilidade genética é importante para a sobrevivência da espécie. Nesse sentido, até hermafroditas desenvolveram ao longo de sua evolução vários mecanismos que dificultam a autofecundação e favorecem a fecundação cruzada (com algumas exceções; ex.: tênias), possibilitando, desse modo, aumento da variabilidade.
Há uma variação tão grande de natureza genética, e as recombinações são tão eficazes em misturar (recombinar) isso, que se a mutação parar completamente, não seria ainda notado um efeito sobre a resposta à selecção na maioria dos casos, em pelo menos 1000 gerações.
Os cromossomos homólogos aproximam-se uns dos outros e começam a parear entre si em uma ou mais regiões, formando divalentes. O pareamento estende-se até que toda a extensão de cada cromossomos esteja aposta à de seu homólogo. O processo é chamado de sinapse ou pareamento cromossômico.
Quando o processo é completado, os cromossomos estão associados lateralmente na forma de um complexo sinaptonêmico, que possui uma estrutura geral característica.
Durante a diacinese os quiasmas são mantidos, o que é importante para a distribuição correta dos cromossomos. A falta de quiasmas pode levar a uma segregação incorreta dos cromossomos homólogos na anáfase.
Recombinação gené ca homóloga durante a prófase I da meiose. A prófase I inclui um
processo de recombinação direta. As quebras na ta dupla são criadas e processadas bem no início. A invasão das tas e a extensão da replicação produzem intermediários de permuta dupla e algumas delas maturam em permutas. Os estágios iniciais da meiose de espermatócitos de camundongos são apresentados na gura. Os cromossomos são corados em vermelho, e algumas proteínas recombinantes, fusionadas à proteína verde uorescente, aparecem como pontos verdes. Com a progressão da prófase, os cromossomos homólogos formam pares, no começo difusos, então tornam-se perfeitamente alinhados, produzindo estruturas em forma de bastão. Os cromossomos outra vez tornam-se difusos, a prófase termina, e as células começam sua primeira divisão celular. Leptóteno, zigóteno e paquíteno são os termos usados para descrever as subfases da prófase da meiose I.
A região de heteroduplex pode conter vários nucleotídeos.
O duplex deve estar livre para poder girar para reduzir a tensão topológica. Quando a molécula reunida gira um duplex em relação ao outro isso pode ser visualizado em um plano como uma estrutura de Holliday. A molécula reunida formada pela troca de fitas deve ser resolvida em duas moléculas de fita dupla separadas. Isto requer mais um par de clivagens: é necessária a produção de uma quebra em um duplex (quebra de fita dupla) para gerar um sítio a partir do qual as fitas simples podem ser desenroladas.
Para maiores informações sobre reparo, ver aula sobre “Mutações e mecanismos de reparo”.
A variabilidade genética é muito grande entre procariotos e vários são os mecanismos que a promovem, entre eles, os três mecanismos de transferência de material genético entre bactérias: conjugação, transdução e transformação. Foi observado que, mesmo em organismos do mesmo gênero, como no caso de Mycoplasma pneumoniae e Mycoplasma genitalium, ocorreram diferenças macrogenômicas significativas desde que esses organismos se divergiram, com inserções e deleções. Por outro lado, E. coli e Salmonella typhimurium, bactérias enteropatogênicas de gêneros distintos, guardam entre si uma ordem gênica bem conservada. Um dos mecanismos mais comuns que causam a variabilidade dentro da mesma espécie é o rearranjo causado por recombinação homóloga. Um mecanismo importante que provoca deleções e inserções é causado pela integração de elementos acessórios como transposons, integrons, ilhas de patogenicidade, profagos e epissomos, dentre outros. Esses elementos acessórios podem se encontrar numa forma integrada ou replicativa, que pode ser funcional ou não. Os elementos acessórios podem conter genes que conferem alguma vantagem seletiva para a bactéria, como os genes de virulência (ilhas de patogenicidade) ou resistência a drogas. Em outros casos, não há nenhuma vantagem aparente (sequências de inserção). Os elementos integrados podem estar numa reta final de evolução, como os profagos defectivos, pois após terem sofrido várias mutações perderam a mobilidade genética. As ilhas de patogenicidade são clusters (blocos) de genes presentes em linhagens patogênicas e são formadas por genes envolvidos com a virulência (toxinas). Estas ilhas podem se propagar através de elementos de inserção. O número dessas ilhas é bem variável, mesmo dentro da mesma espécie, e podem estar associadas com outras capacitações metabólicas favoráveis às células.
Nesse processo, a passagem de DNA tem lugar através de pontes ou comunicações citoplasmáticas temporárias (chamadas pontes de conjugação) entre duas células bacterianas, onde uma das cepas transfere informação genética para a outra. A cepa doadora contém no citoplasma um filamento circular de DNA, o fator F, que é um plasmídeo (plasmídeo F). Esse plasmídeo contém genes que codificam a fímbria sexual, que mantém juntas as duas bactérias, possibilitando a formação da ponte de conjugação.
Na conjugação, apenas um dos filamentos do plasmídeo é transferido da célula doadora para a célula receptora. O filamento que fica na bactéria doadora se mantém circular, porém o filamento que é transferido para a receptora se rompe e migra pela ponte de conjugação, sob a forma de um filamento alongado.
Bactérias que morrem em seu ambiente natural se desintegram e seu DNA pode ser partido em pedaços e captado pelas células adjacentes. O DNA que penetra na bactéria pode ser reconhecido como estranho e destruído pelas enzimas de restrição, cuja função é defender a bactéria contra invasores (bacteriófagos), destruindo seu DNA. Quando o processo de transferência de genes é bem sucedido, ocorre uma recombinação, que consiste na integração, no cromossomo bacteriano, do DNA que penetrou na bactéria.
Transdução é o processo pelo qual uma bactéria transmite informação genética a outra, usando como vetor um vírus bacteriano (bacteriófago). Durante o processo de formação dos bacteriófagos, pode ocorrer a produção de alguns bacteriófagos defeituosos, contendo DNA de bactéria em vez de somente DNA viral. Esses bacteriófagos defeituosos contendo DNA bacteriano, irão injetar genes de uma bactéria dentro da outra, assim transferindo a informação genética.
A proteína RecA polimeriza sobre o DNA para formar uma estrutura semelhante a um colar de pérolas, no interior da qual ocorrem as reações de pareamento. RecA reconhece especificamente DNA de fita simples e anela esse segmento a uma sequência complementar de um duplex homólogo, substituindo, simultaneamente, a fita original pela nova fita. A RecA liga-se primeiramente no DNA de fita simples formando um filamento de DNA-proteína. Então o filamento RecA captura um DNA de fita dupla homólogo, alinhando-o com a fita simples ligada. Após o alinhamento homólogo e a troca de fitas numa região que envolve centenas de pares de bases, a região de troca pode ser prolongada em um processo que demanda a hidrólise do ATP mediada por RecA. A reação de prolongamento é um tipo de migração de ramificação facilitada.
Os sítios ou sequências chi foram descobertos em fagos (bacteriófagos) lambda mutantes, chamados chi, que possuem modificações de um único par de bases que criam sítios que estimulam a recombinação.
Figura: as subunidades RecB e RecD movem-se ao longo do DNA, processo que exige ATP. A RecB degrada as duas fitas à medida que o complexo se move, clivando as extremidades da fita 3’ com mais frequência do que a extremidade da fita 5’. A subunidade RecC possui uma saliência denominada pino, que facilita a separação das fitas de DNA. Quando um sítio chi é encontrado na fita de extremidade 3’, a RecC se liga a ele e interrompe o avanço do complexo nesta fita. A degradação da fita de extremidade 5’ continua, enquanto a fita com extremidade 3’ forma uma alça, criando por fim uma extensão de fita simples 3’. A proteína RecA (não apresentada), é então carregada para o DNA processado pela enzima RecBCD.
IHF = fator de integração do hospedeiro.
O processo é mediado por uma proteína do bacteriófago chamada integrase (Int), a qual se liga aos sítios attP e attB, formando o complexo Int-attP que se liga a attB. Os fagos e as bactérias trocam as fitas de DNA em uma região central de 15 nucleotídeos, compartilhada entre os dois sítios. A proteína Int introduz cortes desalinhados na região central homologa entre attB e attP, catalisando a troca das fitas, e liga as fitas quebradas, integrando o DNA de no cromossomo de E.
coli.
Retrotransposons ou retroposons: variam desde retrovírus característicos, capazes de infectar células hospedeiras, até sequências de transpostas através de um intermediário de RNA, mas que não possuem capacidade de transposição independente.
Repetições diretas indica que duas cópias de uma sequência estão repetidas na mesma orientação. Porém, no gene original (antes da inserção), o sítio alvo possui apenas a sequência de uma destas repetições.
Portanto, um elemento IS apresenta uma estrutura característica, na qual as suas extremidades são identificadas pelas repetições terminais invertidas, enquanto as extremidades adjacentes do DNA hospedeiro flanqueador são identificadas pelas repetições diretas curtas.
A maioria dos elementos IS insere-se em uma variedade de sítios em um DNA hospedeiro. Entretanto, alguns mostram graus variados de preferência por determinados sítios (hotspots).
As repetições diretas do DNA-alvo que flanqueiam um transposon são consequência da introdução de cortes não-alinhados que geram extremidades sobressalentes que são ligadas às do transposon.
A utilização de extremidades sobressalentes é comum a todas as formas de transposição, mas podemos distinguir três tipos de mecanismos de mobilização diferentes.
Assim, tanto o sítio doador quanto o receptor ficam com uma cópia do transposon.
Os mesmos tipos básicos de reação estão envolvidos em todas as classes de eventos de transposição. As extremidades do transposon são desconectadas do DNA doador por reações de clivagem que geram extremidades 3’_OH. Depois, as extremidades expostas são unidas ao DNA-alvo por reações de transferência, nas quais as extremidades 3’-OH atacam diretamente o DNA-alvo.
A maioria dos elementos transponíveis de um genoma eucariótico é defectiva (não-funcional) e perdeu a capacidade de transpor-se independentemente, embora ainda possam ser reconhecidos como substrato para a transposição por enzimas produzidas por transposons funcionais.
A excisão imprecisa deixa um resquício do transposon. Embora o resquício possa ser suficiente para impedir a reativação do gene-alvo, ele pode ser insuficiente para causar efeitos polares em genes adjacentes, determinando assim uma mudança de fenótipo.
Os retroposons podem ser divididos nas superfamílias viral (LINES) e não-viral (SINES). Para maiores detalhes: aula sobre Genoma Humano.
RNA-polimerase II: sintetiza mRNA e alguns pequenos RNA nucleares que participam do splicing de mRNAs.
L1: um tipo de LINES
Pelo fato de as LINES originarem-se a partir de transcritos da RNA-polimerase II, as sequências genômicas são necessariamente inativas: elas não possuem o promotor, que estava a montante do sítio de início da transcrição.
RNA-polimerase III: sintetiza tRNA, rRNA 5S e vários outros RNAs estáveis relativamente pequenos.
Como são derivados de transcritos de RNA-polimerase III, é possível que alguns membros sejam portadores de promotores internos ativos.
