Herança extracelular

Herança extracelular

Herança Extranuclear

Karla Yotoko

Departamento de Biologia Geral – DBG – UFV

Viçosa, 27 de outubro de 2008.

Introdução

Quando estudamos genética, principalmente genética 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 fenótipo depende da combinação dos fatores herdados (genótipo). 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 partir daí, o problema da hereditariedade estava praticamente 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 permitiu 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 definitivamente 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 fenótipo é o resultado da combinação da expressão dos nossos genes e do ambiente. Como é muito difícil medir o quanto de cada característica é influenciado pelos genes ou pelo ambiente, em geral esta combinação fica subentendida nos textos de genética.

No entanto há características que não são herdadas de ambos os parentais. Estas características em geral são herdadas apenas de nossas mães, ou das mães de todos os organismos sexuados. São características citoplasmáticas, 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 citoplasmáticas, bem como o próprio citosol, são herdados da fêmea.

Mitocôndrias e Cloroplastos

Dentre as organelas citoplasmáticas de eucariotos, as mitocôndrias se destacam por possuir um DNA próprio. Se pensarmos em organismos fotossintéticos, 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 genético. Uma delas postula que tanto mitocôndrias quanto cloroplastos tiveram origem em fragmentos de membrana da própria célula e fragmentos do DNA da mesma, ou seja, que estas organelas tiveram origem da própria célula eucariótica.

Outra teoria, que hoje é a mais aceita, e logo você entenderá porque, propõe que mitocôndrias e cloroplastos se originaram a partir de bactérias de vida livre que foram fagocitadas pelo ancestral dos eucariontes, um organismo heterotrófico anaeróbico primitivo.

Para distinguir entre uma teoria e outra foram utilizados métodos filogenéticos, 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 partir do núcleo e sim de diferentes bactérias de vida livre. O Box-2 conta um pouco desta história.

Genes Mitocondriais e Plastidiais

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 oxidativa, 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 retiradas 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 destino final na organela e só depois disso as proteínas sinalizadoras são retiradas. Este tipo de marcação também ocorre nas proteínas dos cloroplastos que são produzidas pelo núcleo das células.

Código genético das mitocôndrias – mas o código não era universal?

Apesar de o código genético 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 utilizam. Para produzir estas proteínas, contam com seus próprios t-RNAs. Isso significa que o código genético diferenciado das mitocôndrias não afeta as proteínas do núcleo.

A

B

Fig. 2. A - Código genético “universal”, encontrado na maioria dos organismos. B- Código genético encontrado nas mitocôndrias.

A modificação mais comum do código encontrada nas mitocôndrias envolve os códons de terminação (figura 2, tabela 1). Conforme já mencionado, as mitocôndrias animais produzem apenas 22 tRNAs, que são capazes de transportar todos os aminoácidos graças a um pareamento “oscilante” entre códon e anticódon nas mitocôndrias. Isso é possível porque em algumas famílias de códons (nas quais um aminoácido é determinado completamente determinado pelas duas primeiras bases do códon), apenas um tRNA, que tem um resíduo de Uracila na primeira posição do anti-códon (que se pareia com a terceira posição do códon), é o responsável pelo transporte do aminoácido.

Outros tRNAs reconhecem códons tanto com A ou G na terceira posição do códon (o tRNA do triptofano, ou da metionina, por exemplo), outros ainda reconhecem U ou C (o tRNA da cisteína, ou da fenil-alanina). Portanto, quase todos os tRNAs mitocondriais reconhecem dois ou quatro códons diferentes.

OBS: A quantidade de tRNAs no genoma nuclear varia de espécie para espécie. Pelo número de códons que codificam aminoácidos no código universal, seria de se esperar que houvesse 61 tRNAs diferentes (64 códons – 3 códons stop = 61 códons). No entanto, em algumas espécies, há mais do que 61 tRNAs e em outras menos que isso. Isso se explica pelo fato de que alguns códons tenham mais de um tRNA; enquanto vários códons podem ser supridos pelo mesmo tRNA, como no caso das mitocôndrias.

Fig. 3 - Pareamento códon-anticódon durante a tradução de proteínas. Nas mitocôndrias, o código genético é diferente do “universal”, e grande parte dos códons não apresentam pareamento nas três bases. Este tRNA, por exemplo, codifica a treonina (trh), seja qual for o códon para treonina presente no mRNA.

No código usual, somente dois aminoácidos são codificados por códons exclusivos: metionina e Triptofano (ver figura 2). Se todos os códons codificam mais de um aminoácido nas mitocôndrias, esperaríamos mais de um códon para estes dois aminoácidos. De fato, uma das principais diferenças 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 metionina 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 genético 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 características que eram herdadas exclusivamente de linhagens maternas (ou seja, o genótipo do pai não interferia no fenótipo da prole). Diversas doenças estão associadas à herança citoplasmática (presente em mitocôndrias e cloroplastos) em diversas espécies de animais, fungos e plantas.

Repare que a herança citoplasmática 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 plastidial, toda a prole tem o fenótipo condicionado pelo genótipo da mãe, já que apenas o óvulo é capaz de transmitir as organelas para a próxima geração.

Se pensarmos na tecnologia de clonagem de mamíferos, um óvulo não fecundado tem seu núcleo retirado 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 citoplasmática será distinta!

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 útil, 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 oxidativa, o que aumenta a taxa de mutação do DNA mitocondrial em relação ao nuclear.

Este tipo de abordagem em estudos de evolução humana vem revelando parte de nossa história, tanto de migração da África para os outros continentes 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 Asiática (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 genéticos.

Box1 - Métodos de Comparação de Organismos.

Em estudos evolutivos, existem métodos que nos permitem comparar diferentes organismos e tentar elucidar os graus de parentesco entre eles. Estes métodos se baseiam principalmente em similaridades apresentadas por diferentes organismos, que podem ser medidas em características morfológicas, fisiológicas, bioquímicas, comportamentais etc. A partir destes métodos foi possível estabelecer nosso parentesco com outros primatas, em especial com os chimpanzés, que parecem ser nossos parentes mais próximos.

Moléculas de DNA também são utilizadas neste tipo de comparação. Para isso, basta seqüenciar um determinado fragmento em várias espécies distintas e simplesmente contar quantas bases diferentes há entre cada par de espécies. A partir disto, obtemos uma matriz de distância genética entre estas espécies, e podemos agrupar as mais próximas. Dizemos que quanto menor for o número de substituições de nucleotídeos (mutações de ponto) entre duas espécies, menor a distância entre elas e, portanto, maior o parentesco evolutivo (compartilham um ancestral comum recente).

Veja a figura 1. Nela, temos uma representação da distância evolutiva entre três espécies imaginárias, A, B e C. Poderíamos chamar A de homem, B de chimpanzé e C de orangotango se você se sentir mais à vontade.

Quando este método foi aplicado a mitocôndrias, foram comparadas seqüências de mitocôndrias de diversos organismos com seqüências do DNA genômico destas espécies, bem como com seqüências de bactérias de vida livre (várias espécies). Esta análise mostrou que as seqüências de mitocôndrias são geneticamente mais próximas das seqüências de α-proteobactérias que de qualquer outro conjunto de seqüências. (considere agora que A na figura 1 representa sequencias de mitocôndrias, B representa seqüências de cianobactérias e C representa seqüências do genoma nuclear de eucariotos). Isso mostrou a origem endossimbionte das mitocôndrias.

O mesmo experimento foi feito com seqüências de cloroplastos, que se mostraram mais próximas a seqüências de cianobactérias.

Box2 - Teoria Endossimbionte

Pela hipótese endossimbionte, mitocôndrias e cloroplastos são descendentes de bactérias que algum dia foram fagocitadas por células eucariontes predadoras e que não foram por elas digeridas; ou que simplesmente invadiram eucariotos primitivos como parasitas, mas não tiveram sucesso em matar seus hospedeiros. De qualquer forma, tanto mitocôndrias quanto cloroplastos devem ter tido origem em algum evento predatório mal sucedido, no qual nenhuma das partes foi morta ou digerida pela outra, mas que, pelo contrário, começaram a conviver e esta convivência com o tempo se tornou obrigatória.

Acredita-se que o ancestral dos eucariotos era uma célula nucleada, anaeróbica e heterotrófica, que vivia muito bem no ambiente primitivo, pobre em oxigênio. Este ancestral teria sido, em algum momento, invadido por (ou fagocitado) uma bactéria que praticava fosforilação oxidativa, ou seja, captava oxigênio e extraía energia da oxidação de moléculas de comida (matéria orgânica) para produzir ATP. Uma vez que a digestão da bactéria ou do hospedeiro não ocorreu, esta bactéria permaneceu na célula eucarionte recebendo proteção e nutrição em troca da energia que gerava para seus hospedeiros. Estima-se que esta parceria tenha se estabelecido há cerca de 1.5 bilhões de anos, quando a atmosfera começou a tornar-se rica em oxigênio.

Em outro momento, outro eucarioto primitivo, que já tinha uma estreita relação com mitocôndrias, teria sido invadido por (ou teria fagocitado) uma cianobactéria, um organismo capaz de produzir matéria orgânica a partir de CO2 e luz solar. Com o tempo, esta convivência fez com que os descendentes deste eucarioto primitivo não precisassem mais se alimentar de outros seres para sobreviver, passaram a ser autotrófos, graças à convivência com as cianobactérias.

Agora juntemos estes dois momentos. À medida que os eucariotos autotróficos obtinham sucesso reprodutivo pela capacidade de produzir o próprio alimento, a concentração de O2 deve ter aumentado significativamente na atmosfera. Com isso, os eucariotos que continham as mitocôndrias, organismos capazes de utilizar o O2 também levavam vantagem em um ambiente cada vez mais intoxicado por este gás. Note ainda que um conjunto de organismos se alimenta dos “restos metabólicos” do outro. Enquanto um utiliza matéria orgânica e O2 para sobreviver, produzindo CO2 como “resto metabólico”, o outro utiliza CO2 para produzir matéria orgânica, produzindo O2 como “resto metabólico” nas reações que produzem matéria orgânica.

Existem várias razões para se acreditar que mitocôndrias e cloroplastos são de fato descendentes de bactérias. A primeira delas é que mitocôndrias e cloroplastos são similares em tamanho a pequenas bactérias, e, além disso, tal como as bactérias, têm seu próprio genoma, uma molécula de DNA circular; seus próprios ribossomos e seus próprios t-RNAs.

A relação de simbiose que se estabeleceu com o tempo, foi além da simples proteção por um lado e fornecimento de energia por outro. Ela se tornou obrigatória ao ponto de que mitocôndrias ou cloroplastos não sobrevivem fora de seus hospedeiros ou estes não sobrevivem sem mitocôndrias. Pela teoria endossimbionte, acredita-se ainda que tenha havido apenas uma origem para cada uma das organelas. Acredita-se ainda que a aquisição das mitocôndrias esteja intimamente relacionada com a própria origem dos eucariotos.

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 CellFourth Edition. Taylor and Francis Group, London, UK.

Griffths AJF, Miller JH, Suzuki DT, Lewontin RC, Gelbart WM. 2002. Introdução à Genética. Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, RJ.

Margulis L, Sagan D (2002) O que é sexo? Jorge Zahar Ed. Rio de Janeiro, RJ.

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