Camilla Bruno Di NizoBIO0230: Genética e Evolução
2015
Citogenética e aberrações cromossômicas
Citogenética - definição• Todo e qualquer estudo relativo ao cromossomo
Cromossomos metafásicos mitóticos
Foto: Camilla B. Di Nizo
Morfologia dos cromossomos metafásicos
Cromátides-irmãs
Centrômero
Constrição secundária
Telômeros
Telômeros
Centrômero• Região menos condensada • Liga as cromátides irmãs, divide o cromossomo em braços
Centrômero• Sítio de ligação do cinetócoro, onde se ligam as fibras do fuso• Cinetócoro: complexo multiproteico
Sumner, 2003
CentrômeroMonocêntricas
Cromossomo anafásico monocêntrico
Guerra, 1988
CentrômeroHolocêntricos• Atividade centromérica difusa ou grande número de
centrômeros ao longo do cromossomo• Vários cinetócoros ou uma única placa ao longo de toda a
extensão da cromátide• Migração paralela na anáfase• Exemplos: Alguns protozoários, algas, algumas ordens de
insetos e plantas
Cromossomos anafásicos holocêntricos com vários cinetócoros (esquerda) ou com umaúnica placa cinetocórica (direita) Guerra, 1988
CentrômeroDicêntricos• Raros – rapidamente eliminados• Inativação do centrômero extra ou mecanismo de
coorientação dos centrômeros
Metáfase mostrando um cromossomo dicêntrico
Morfologia dos cromossomos metafásicos
Cromátides-irmãs
Centrômero
Constrição secundária
Telômeros
Telômeros
Constrição secundária• Durante a prófase: associados ao nucléolo (RON)• Sítios dos genes que produzem RNA ribossômico, que
constituirão grande parte do nucléolo• Nem sempre visíveis em coloração comum – nitrato de prata
a)Metáfase do roedor Thrichomys apereoidesem col. comum
b)Metáfase do roedor Akodon montensis coradocom nitrato de prata
Fotos: Camilla B. Di Nizo
Morfologia dos cromossomos metafásicos
Cromátides-irmãs
Centrômero
Constrição secundária
Telômeros
Telômeros
Telômeros• Não se distingue morfologicamente• Extremidade livre do cromossomo• Várias cópias do hexanucleotídeo TTAGGG• Conservada entre diferentes organismos
Espécie Sequência TamanhoTrypanosoma TTAGGG 36pbClamydomonas TTTTAGGG 4-9kbCaenorhabditis TTAGGC 4-9kbXenopus TTAGGG 10–50kbCamundongo TTAGGG 10-60kbHomem TTAGGG 5–15kb
Tabela mostrando a sequência telomérica e seu tamanho emdiferentes espécies
Sumner, 2003
Telômeros - funções• Manutenção da integridade estrutural do cromossomo –
impede que os cromossomos se liguem entre si• Assegura a duplicação completa das extremidades dos
cromossomos
Remoção do primer RNA leva aum encurtamento do cromossomoapós cada replicação
Telomerase com umasequência de RNAcomplementar age comomolde. Enzima adicionasequência telomérica nofim do cromossomo
Tamanho do cromossomorestaurado
Obtenção dos cromossomos• Tecidos e órgãos com crescimento e divisão rápida
In vivo1. Medula óssea (vertebrados)2. Baço (mamíferos)3. Intestino (répteis)4. Brânquias (peixes)5. Testículo - meiose
In vitro (cultura celular)1. Leucócitos (Linfócitos T)
+ análise rápida- vida curta
2. Fibroblastos + cultura permanente- mais invasivo
Preparação de medula óssea e baço Cultura de fibroblasto Fotos: Camilla B. Di Nizo
Obtenção dos cromossomos
Acúmulo de células em metáfase
Impede a formação do fuso
1. Colchicina
Obtenção dos cromossomos dispersão dos cromossomos
preservação da estrutura dos cromossomos
2. Hipotônica
3. Fixador
Análise dos cromossomosColoração comum:Cora os cromossomos uniformementeEstabelecimento do número diploide
Metáfase de marsupial Marmosops sp. (2n=14)
Fotos: Camilla B. Di Nizo
Análise dos cromossomosCariotipagem: Representação do conjunto cromossômicoHomólogos emparelhados
Cariótipo humano, 2n=46, XYMetáfase humana, 2n=46, XY
Análise dos cromossomosColoração comum
2n=10???
???
Silva e Yonenaga-Yassuda, 1998
Análise dos cromossomosColoração comum
2n=10
Silva e Yonenaga-Yassuda, 1998
Análise dos cromossomos
Importância:• Individualização dos cromossomos• Observação de polimorfismos• Outras colorações diferenciais: Banda R, Banda Q, Nitrato de prata (RON)
Bandas C
Década de 1970: era do bandamento cromossômicoDiferentes tratamentos
Heterocromatina constitutiva Padrão longitudinal - AT
Bandas G
Silva e Yonenaga-Yassuda, 1998
Análise dos cromossomosDécada de 1990: era citogenética molecular
• Localização de sequências específicas nos cromossomos
Análise dos cromossomosSondas: Sequência de DNA complementar, marcada com fluorocromo
Telomérica Centromérica Cromossômica
Silva, 1999; Miller e Therman, 2001; Ferguson-Smith e Trifinov, 2007
Análise dos cromossomosCGH (Comparative Genomic Hybridization): Hibridação GenômicaComparativa
• Objetivo: Detectar ganhos eperdas de regiões genômicas
• Localização de sequenciasem excesso ou ausentes nogenoma tumoral
Caracterização do cariótipoNúmero de cromossomos• Constante na mesma espécie• Variável entre espécies diferentes
Espécie 2n
Manihot esculenta (mandioca) 36
Culex pipiens (pernilongo) 6
Periplaneta americana (barata) 32
Passiflora edulis (maracujá) 18
Didelphis albiventris (gambá) 22
Canis familiares (cachorro) 78
Gallus domesticus (galinha) 78
Metafase e foto de Bothrops jararaca,com 2n=36
Metafase e foto de Cycloramphuscarvalhoi, com 2n=26
Metafase e foto de Homo sapiens, com2n=46
Metáfases cedidas por: Renata Amaro e MJJS
Caracterização do cariótipoTamanho dos cromossomos• Variação gradativa• Variação bimodal (aves e répteis)
Cariótipo de O. fornesi (roedor)Cariótipo de Boa constrictor (jibóia)
Di-Nizo, 2013; Viana, 2015
Caracterização do cariótipoMorfologia dos cromossomos
Caracterização do cariótipo humano• Tjio e Levan (1956): estabelecimento do 2n humano
Metáfase humana, 2n=46, XY
Caracterização do cariótipo humano• Conferência de Denver (1960): Patau – sugestão da organização dos
cromossomos em grupos
Cariótipo humano, 2n=46, XY
cGrupo A
Grupo B
Grupo C
Grupo D Grupo E
Grupo F Grupo G
Como distinguir um cromossomo do outro?
Caracterização do cariótipo humano• Conferência de Paris (1971): sistema de identificação de bandas
cromossômicas
Idiograma humano mostrando padrões de bandas G
Cromossomos sexuais em mamíferosCromossomos sexuais heteromórficos
Regiões onde há recombinação - homólogas
Cromossomo sexual humano
Cromossomo Y• Tamanho pequeno• Heterocromático• Pobre em genes
Cromossomos sexuais em col. comum
Cromossomos sexuais em banda C
Cromossomos sexuais em mamíferosMecanismo de diferenciação sexualCromossomos Y: possui o principal gene desencadeador da sexualidademasculina no início do desenvolvimento embrionário
• Cromossomo Y determina o sexo masculino (não importa quanto
cromossomos X existam) Ex: S. Klinefelter (2n=47, XXY)
• Ausência de Y: determina o sexo feminino. Ex: S. de Turner (2n=45, X)
Citogenética - aplicações• Descrição/ comparação cariótipo das espécies
• Citotaxonomia
Conhecimento da BiodiversidadeKasahara, 1996; Fagundes, 1997
Akodon cursor ou A. montensis?
2n=25
2n=14
2n=36 2n=35Tropidurus gr. torquatus
Citogenética - aplicações• Monitoramento da reprodução de animais de interesse
econômico
• Intercruzamento de espécies – produção de híbridos comcaracterísticas melhoradas
Melhoramento Genético
Grãos maiores Colheita mais fácil Crescimento em condições
adversas
Rearranjo 1/29 em Bos taurus Reduz fertilidade
Kasahara, 2009
Citogenética - aplicações• Correlacionar patologias com alteração cariotípica
• Diagnóstico pré-natal
• Citogenética do câncer
Citogenética clínica
Variação e evolução cromossômica
“Os cromossomos não são estruturas estáveis: em praticamente todas as espécies encontram-se variações cromossômicas que desempenham papel importante na
sua evolução”
Variação e evolução cromossômica
1.Numéricas
2. Estruturais
• Poliploidia• Aneuploidia• Cromossomos supernumerários (Bs)
• Deleção• Duplicação• Inversão• Translocação• Isocromossomos• Fusão
Variação e evolução cromossômica
1.Numéricas• Poliploidia• Aneuploidia• Cromossomos supernumerários (Bs)
Fáceis de serem observadasEfeito mais drástico para o indivíduo
Variação numérica - Poliploidia• Conjuntos cromossômicos extras • Exemplo: triploide (3n), tetraploide (4n)
Variação numérica - Poliploidia• Raro em animais (distúrbios no mecanismo de determinação
do sexo)• Importante na evolução cromossômica de plantas• Poliploides tendem a ser maiores
triploide
tetraploide
octaploide
Variação numérica - Poliploidia
Autopoliplóide
Alopoliplóide
Várias cópias de um único conjunto cromossômico
Várias cópias de dois ou mais conjuntos cromossômicos
diferentes
Tipos:
Variação numérica - PoliploidiaOrigem• Erros meióticos: formação e fusão de gametas não
reduzidos
• Erros mitóticos: duplicação dos cromossomos duas ou mais
vezes entre as mitoses (endomitose)
Variação numérica - Aneuploidia• Alteração no número básico de cromossomos da espécie
(sem ser um múltiplo exato)
Hiperdiploidia: 2n+1
Hipodiploidia: 2n-1
Variação numérica - AneuploidiaExemplo 1: trissomia do 21 (Síndrome de Down – 2n=47, XX ou XY + 21)
Cariótipo de um homem 2n=47, XY + 21
Variação numérica - AneuploidiaExemplo 1: trissomia do 21 (Síndrome de Down – 2n=47, XX ou XY + 21)
Fenótipo
• Baixa estatura• Retardo mental• Cardiopatia congênita
Incidência: 1 em 800 nascimentos
Cariótipo de um homem 2n=47, XY + 21
Variação numérica - Aneuploidia
Essa incidência aumenta com a idade materna
Exemplo 1: trissomia do 21 (Síndrome de Down – 2n=47, XX ou XY + 21)
Idade materna (anos) Incidência
<20 1:2500
20‐25 1:1600
25‐30 1:1200
30‐35 1:850
35‐40 1:300
40‐45 1:100
>45 1:50
Incidência de Síndrome de Down por trissomia livre do 21, segundo a idade materna
Relação entre idade materna e incidência da trissomialivre do 21 ao nascimento e no momento daamniocentese Thompson e Thompson, 2008
Variação numérica - Aneuploidia
Exemplo 2: Trissomia do 13 (Síndrome de Patau – 2n=47, XX ou XY, +13)
Outras doenças humanas produzidas por trissomias:
Cariótipo de uma mulher 2n=47, XX + 13
• Deficiência mental severa• Fissura labial ou palatina• Anomalia cardíaca• Polidactilia
50% morrem no primeiro mês de vida
Incidência: 1 em 6.000 nascimentos
Variação numérica - Aneuploidia
Exemplo 3: Trissomia do 18 (Síndrome de Edward – 2n=47, XX ou XY, +18)
Outras doenças produzidas por trissomias:
Cariótipo de um homem 2n=47, XY + 18
• Hipertonia muscular• Atraso psicomotor grave• Micrognatia• Anomalia cardíaca• Mãos fechadas• Tendência sobreposição dos dedos
50% óbitos no segundo mês de vida
Incidência: 1 em 4.000 nascimentos
Variação numérica - Aneuploidia
Exemplo 4: Síndrome de Klinefelter – 2n=47, XXY
Outras doenças produzidas por aneuploidias:
Cariótipo de um homem 2n=47, XXY
Incidência: 1 em 600 nascimentos
Fenótipo
Variação numérica - AneuploidiaExemplo 5: Monossomia do X (Síndrome de Turner - 2n=45, X)
Incidência: 1 em 3.500 nascimentos
Cariótipo de uma mulher 2n=45, X Fenótipo
Variação numérica - AneuploidiasCausas• Não disjunção na gametogênese materna ou paterna
Meiose normal
Não-disjunçãoMeiose 1
Gametas com cromossomos
duplicados
Gametas com cromossomos
ausentes
Variação numérica - AneuploidiasCausas• Não disjunção na gametogênese materna ou paterna
Meiose normal
Não-disjunçãoMeiose 2
Gametas com cromossomosduplicados ou
ausentes
Gametas normais
Variação numérica - AneuploidiasCausas• Não disjunção na primeira clivagem do zigoto normal
MosaicoGenomas diferentes em um mesmo indivíduo
Mesma origemThompson e Thompson, 2008
Variação numérica - aneuploidiasConsiderações• A trissomia é mais frequente, provavelmente porque excesso
de genes repetidos é menos deletério que a hemizigose• As aneuploidias dos cromossomos sexuais são mais
frequentes e menos prejudiciais• Nas aneuploidias humanas, o gameta incorretamente
reduzido é mais frequentemente o óvulo
Variação numérica – Cromossomos B• Extras – não estão presentes em 100% da população• 15% dos eucariotos• Varia entre indivíduos da mesma população e entre células do mesmo
indivíduo• Comportamento meiótico irregular• Não sofrem recombinação• Presença de genes
Cariótipo de Characidium gomesi Cariótipo de Blarinomys breviceps Cariótipo de Nectomys rattusSilva, 1994; Ventura et al., 2012; Serrano, 2015
Variação e evolução cromossômica
1.Numéricas
2. Estruturais
• Poliploidia• Aneuploidia• Cromossomos supernumerários (Bs)
• Deleção• Duplicação• Inversão• Translocações• Isocromossomos• Fusões
Variação estrutural
• Variações no tamanho dos cromossomos, posição dos centrômeros, quantidade de DNA
• Melhor toleradas pelo organismo
50% dos abortos são devidos à alterações
cromossômicas
47% variações numéricas
3% variações estruturais
Variação estrutural - Deleções• Perda de um pedaço do cromossomo (sem incluir o
centrômero)• Terminal ou intersticial
Variação estrutural - DeleçõesExemplo 6: deleção do braço curto do cromossomo 5 (Síndrome do Cri du Chat – 2n=46, XX ou XY, del 5p)
• Choro semelhante a miado de gato• Microcefalia• Hipertelorismo (olhos afastados)• Micrognatia • Retardo mental
Fenótipo de uma criança afetada
Mapa do fenótipo cariótipo docromossomo 5 humano
Thompson e Thompson, 2008
Variação estrutural - DeleçõesCromossomo em anel:Deleção de ambos os telômeros seguida de fusão dasextremidades
• Não são mantidos por mais de uma geração
• Dificuldades de divisão meiótica• Humanos: associados a patologias
Variação estrutural - DuplicaçõesRepetição de um segmento cromossômico qualquer
Duplicação em tandem
Variação estrutural - DuplicaçõesExemplo 7: Fenótipo “bar” de Drosophila melanogaster
• Duplicação da região do cromossomo X
• Forma ovalada (selvagem)• Forma de barra (duplicado)
Origem das duplicações e deleções• Deleções: quebras e eliminação cromossômica• Deleções/ Duplicações: Pareamento meiótico incorreto,
seguido de permuta desigual
Consequências meióticas das duplicações e deleções
Formação de alças que permite o pareamento de todo ocromossomo
Configuração paquitênica de heterozigotos para deleções e duplicações
Guerra, 1988
Duplicações e deleções
• A carência de um segmento cromossômico é mais prejudicial
que um segmento em excesso
• Duplicações: papel importante na evolução – fonte de
matéria-prima para a formação de novos genes
Variação estrutural - Inversões
Cromossomo é rompido em dois pontos e reorganiza-se deforma invertida
PericêntricaParacêntrica
Inversões: consequências meióticas
• Formação de alça de inversão• Pareamento normal
Inversão: consequências meióticas
Meiose heterozigoto para inversão paracêntrica
Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com cromossomos acêntricos e dicêntricos
Normal
Inversão: consequências meióticas
Meiose heterozigoto para inversão paracêntrica
Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com cromossomos acêntricos e dicêntricos
Com inversão
Inversão: consequências meióticas
Meiose heterozigoto para inversão paracêntrica
Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com cromossomos acêntricos e dicêntricos
Dicêntrico
Acêntrico
Inversão: consequências meióticasMeiose heterozigoto para inversão pericêntrica
Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com duplicações e deleções
Normal
Inversão: consequências meióticasMeiose heterozigoto para inversão pericêntrica
Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com duplicações e deleções
Com inversão
Inversão: consequências meióticasMeiose heterozigoto para inversão pericêntrica
Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com duplicações e deleções
Duplicações e Deleções
Variação estrutural - TranslocaçãoTransferência de um segmento de um cromossomo para outro não homólogo
Recíproca
Simples Não há perda/ ganho de material
genético
Redistribuição
Variação estrutural – Translocação Robertsoniana
Fusão de dois cromossomos acrocêntricos ou telocêntricos pela região do centrômero
+ =
Translocação Robertsoniana ou Fusão cêntrica
Variação estrutural – Translocação Robertsoniana
Exemplo 8: Translocação 14/21 em cromossomos humanos
Cariótipo de uma mulher com translocaçãorecíproca equilibrada - 45, XX, t(14;21)
Translocação recíproca equilibrada
Fenótipo normal
Variação estrutural – Translocação Robertsoniana
Exemplo 8: Translocação 14/21 em cromossomos humanos
Cariótipo 2n=46, XX ou XY, rob (14;21)+21
• Alto índice de reincidência Thompson e Thompson, 2008
Consequências meióticas: Translocações
• Pareamento em forma de cruz• Segregação ocorre de 3 maneiras
Snustad e Simmons, 2013
Translocações - consequências meióticas
Disjunção adjacente I• Centrômeros que migram para o mesmo polo
são de cromossomos diferentes• Deficiência e duplicação de genes
Disjunção adjancente II• Centrômeros que migram para o mesmo polo
são homólogos• Deficiência de genes
Disjunção alternada• 100% de gametas viáveis (balanceados)• 50% translocado• 50% normais
Snustad e Simmons, 2013
Variação estrutural – IsocromossomosCromossomos metacêntricos que apresentam os dois braços exatamente iguais com relação ao conteúdo gênico
Origem:• Fusão cêntrica entre homólogos telocêntricos• Quebra do centrômero e fusão entre as cromátides-irmãs
Isocromossomos
Variação estrutural – Fusão em tandemVárias fusões seguidas em um mesmo cromossomo• Importante na evolução cromossômica das espécies• Confere redução do número diploide
Muntjac chinêsMuntiacus reevesi
Muntjac indianoMuntiacus muntjak
• Comparação padrão de BG• FISH sondas cromossomicas 2n= 46 2n =6 ♀; 2n=7 ♂
Variação estrutural – Fusão em tandemVárias fusões seguidas em um mesmo cromossomo• Importante na evolução cromossômica das espécies• Confere redução do número diploide
Muntjac chinêsMuntiacus reevesi
Muntjac indianoMuntiacus muntjak
Fusão em tandem 2n= 46 2n =6 ♀; 2n=7 ♂
Wang e Lan, 2000
Evolução cariotípica
Qual o papel dos rearranjos cromossômicos na evolução das espécies?
• Muito difícil reconhecer se uma determinada alteraçãocromossômica está relacionada à diferenciação dasespécies ou se é apenas uma diferença que seestabeleceu paralela ou posteriormente à separação dasespécies
Evolução cariotípicaVariações transmitidas aos descendentes
Geram os polimorfismos cromossômicos
Polimorfismo cromossômico: duas ou mais formas diferentes para
um mesmo cromossomo
Cariótipo de O. nigripes (roedor) com polimorfismo no par 3
Di-Nizo, 2013
Evolução cariotípica
Alterações cromossômicas podem ter algum efeitoadaptativo ao meio, mesmo quando não causam alteraçõesfenotípicas aparentes
Alterações cromossômicas podem gerar barreirasreprodutivas
Podem transformar uma população em subpopulações,concorrendo para o processo de especiação
Restringe o fluxo gênico entre os indivíduos de uma
população
Obrigada
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