Em formação

7.12: Genes e alelos - Biologia


Até agora, consideramos os genes entidades abstratas e mencionamos, apenas de passagem, o que eles realmente são. Embora não consideremos em detalhes significativos, é importante notar que os genes podem ser complexos: pode haver várias regiões regulatórias controlando a mesma sequência de codificação e, particularmente em eucariotos, um único gene pode produzir vários produtos gênicos funcionalmente distintos através do processo de Splicing de RNA220. Mudar o organismo e os mesmos, ou melhor, mais precisamente, genes homólogos (isto é, genes que compartilham um ancestral comum, um ponto ao qual retornaremos) podem ter papéis diferentes.

Uma vez que entendemos que um gene corresponde a uma sequência específica de DNA, entendemos que diferentes alelos de um gene correspondem a genes com sequências diferentes. Dois alelos do mesmo gene podem diferir um do outro na posição de um único nucleotídeo ou em muitas posições. A versão mais comum de um alelo é frequentemente referida como o alelo do tipo selvagem, mas isso na verdade é apenas porque é o mais comum. Pode haver vários alelos “normais” de um determinado gene em qualquer população. Os genes podem se sobrepor uns aos outros, particularmente em termos de suas regiões regulatórias, e definir todas as regiões regulatórias de um gene pode ser difícil, particularmente porque diferentes regiões regulatórias podem ser usadas nos diferentes tipos de células presentes em um organismo multicelular. As regiões regulatórias de um gene podem abranger muitos milhares de quilobases de DNA e estar localizadas a montante, a jusante ou dentro da região de codificação do gene. Além disso, como o DNA é de fita dupla, um gene pode estar localizado em uma fita e outro, um gene completamente diferente pode estar localizado na fita antiparalela. Voltaremos aos mecanismos básicos da regulação gênica mais adiante, mas, como você provavelmente já percebeu, a regulação gênica é complexa e, normalmente, está sujeita a seu próprio curso.

Alelos: Alelos diferentes do mesmo gene podem produzir produtos genéticos bastante semelhantes ou seus produtos podem ser diferentes. A caracterização funcional de um alelo é tipicamente realizada com relação a como sua presença influencia uma (s) característica (s) específica (s). Mais uma vez, lembre-se de que a maioria das características é influenciada por vários genes, e um único gene pode influenciar várias características e processos. Um alelo pode produzir um produto gênico com função completamente normal ou absolutamente nenhuma atividade funcional remanescente, denominado alelo nulo ou amorfo. Pode ter menos função do que o alelo de "tipo selvagem" (hipomórfico), mais função do que o tipo selvagem (hipermórfico) ou uma nova função (neomórfico). Dado que muitos produtos gênicos funcionam como parte de complexos multiméricos que são produtos de múltiplos genes e que muitos organismos (como nós) são diplóides, existe mais uma possibilidade, o produto de um alelo pode antagonizar a atividade do outro - isto é conhecido como um alelo antimórfico. Esses diferentes tipos de alelos foram definidos geneticamente por Herbert Muller, que ganhou o prêmio Nobel por mostrar que os raios X podem induzir mutações, ou seja, novos alelos.


Alelo

Nossos editores irão revisar o que você enviou e determinar se o artigo deve ser revisado.

Alelo, também chamado alelomorfo, qualquer um de dois ou mais genes que podem ocorrer alternativamente em um determinado local (locus) em um cromossomo. Os alelos podem ocorrer em pares ou pode haver vários alelos afetando a expressão (fenótipo) de um traço específico. A combinação de alelos que um organismo carrega constitui seu genótipo. Se os alelos emparelhados são iguais, o genótipo do organismo é considerado homozigoto para essa característica, se eles forem diferentes, o genótipo do organismo é heterozigoto. Um alelo dominante substituirá as características de um alelo recessivo em um par heterozigoto. Em algumas características, no entanto, os alelos podem ser codominantes - ou seja, nenhum dos dois age como dominante ou recessivo. Um exemplo é o sistema de grupo sanguíneo ABO humano, pessoas com sangue do tipo AB têm um alelo para A e outro para B. (Pessoas sem nenhum são do tipo O.)

A maioria das características é determinada por mais de dois alelos. Podem existir várias formas do alelo, embora apenas duas se liguem ao local do gene designado durante a meiose. Além disso, algumas características são controladas por dois ou mais sítios de genes. Ambas as possibilidades multiplicam o número de alelos envolvidos. Todas as características genéticas são o resultado das interações de alelos. A mutação, o crossing-over e as condições ambientais alteram seletivamente a frequência dos fenótipos (e, portanto, seus alelos) dentro de uma população. Por exemplo, alelos carregados por indivíduos com alta aptidão (o que significa que eles se reproduzem com sucesso e passam seus genes para seus descendentes) têm uma probabilidade maior de persistir em uma população do que alelos carregados por indivíduos menos aptos, que são gradualmente perdidos da população hora extra.

The Editors of Encyclopaedia Britannica Este artigo foi revisado e atualizado mais recentemente por Kara Rogers, Editora Sênior.


Função

Os genes governam as características de um organismo. Eles fazem isso agindo como instruções para produzir proteínas. As proteínas são as diversas moléculas que desempenham muitas funções críticas em nosso corpo, como a produção de hormônios e a criação de anticorpos.

Os humanos têm duas cópias (ou alelos) de cada gene, um herdado de cada pai. Os alelos desempenham um papel significativo na formação das características individuais de cada ser humano. Os alelos são versões do mesmo gene com pequenas variações em sua sequência de bases de DNA. Essas pequenas diferenças entre os alelos do mesmo gene contribuem para as características únicas de cada pessoa.


Resultados e discussão

Geração e triagem da biblioteca mutante Medaka

A biblioteca de medaka mutante foi gerada e rastreada conforme esquematicamente delineado na Figura 1. Peixes fundadores foram repetidamente mutagenizados com ENU, cruzados com fêmeas do tipo selvagem, e a progênie foi usada para estabelecer um recurso criopreservado permanente de 5.771 machos F1 (Tabela 1). Para obter uma indicação sobre a frequência de mutação induzida, realizamos um teste de locus específico utilizando o mutante albino [4]. O aparecimento de um embrião de olhos brancos a uma taxa de 1 em 272 (Tabela 1) está de acordo com as frequências previamente observadas [4], sugerindo que a mutagênese foi muito eficaz.

Esboço esquemático da geração e triagem da biblioteca medaka mutante. Os peixes G0 machos foram mutagenizados com ENU e cruzados com fêmeas do tipo selvagem (WT). A progênie F1 masculina foi usada para criopreservação de esperma e isolamento de DNA paralelo. A biblioteca foi rastreada para mutações induzidas em genes alvo de interesse por resequenciamento didesoxi. Mutantes interessantes foram recuperados do arquivo criopreservado por em vitro fertilização e incrustado até homozigose para análise fenotípica.

A biblioteca de mutantes foi rastreada para genes envolvidos na biologia tumoral (p53, e Blm, codificando Bloom helicase), neurodegeneração (Parkin, codificação da ubiquitina ligase), envelhecimento (Sirt1, que codifica a desacetilase) e o metabolismo de miRNA (Dcr-1, codificação Dicer). Embora uma variedade de tecnologias de descoberta de mutações tenham sido estabelecidas para a recuperação direcionada de mutações induzidas [11-14], optamos por usar o ressequenciamento didesoxi de sequências alvo amplificadas por PCR para a descoberta de mutações de rotina [15], pois esta tecnologia é robusta e pode ser automatizado muito bem em ambos os níveis experimental e de interpretação de dados [16]. Mais importante, ele fornece dados altamente informativos sobre a localização exata e a natureza da mutação.

Nós rastreamos a biblioteca completa para 10 amplicons diferentes cobrindo 20 exons em 5 genes diferentes (Tabela 2). No total, cerca de 22 Mbp foram rastreados e 64 mutações independentes foram identificadas (Tabela 3). A frequência média de mutação induzida por ENU para a biblioteca foi encontrada em 1 mutação por 345.000 bp, semelhante ao que foi encontrado para triagens genéticas reversas em peixes-zebra [12]. Nós recuperamos mutações de perda de função altamente prováveis ​​para quatro dos cinco genes rastreados pela identificação de quatro mutações sem sentido e duas mutações no local de splice. Embora uma perda total de função deva ser demonstrada para cada mutante individualmente, nos referimos a esses mutantes como nocautes neste artigo. Além disso, 38 mutações missense foram encontradas nos diferentes genes (Tabelas 2 e 3), algumas das quais poderiam resultar em uma perda parcial ou completa de função ou fenótipo de ganho de função.

Todos os mutantes sem sentido e de local de splice foram recuperados do arquivo de esperma congelado por em vitro fertilização (Tabela 4). Uma taxa de fertilização muito alta de mais de 90% foi obtida de forma consistente seguindo o padrão em vitro procedimentos de fertilização, com apenas 7% a 33% dos ovos fertilizados não se desenvolvendo e eclodindo. A genotipagem do tecido da nadadeira caudal de uma porção da prole F2 revelou que a proporção de peixes de tipo selvagem para heterozigotos mutantes era de cerca de um para um, como esperado (dados não mostrados).

P53 E241X caracterização mutante

Identificamos sete mutações induzidas no medaka p53 gene [17], incluindo três mutações missense, um site de splice e duas mutações nonsense (Figura 2). o p53 E241X alelo é uma substituição de G para T que resulta na alteração de Glu241 para um códon de parada, enquanto o p53 Y186X alelo é uma substituição de T para A que altera Tyr186 para um códon de parada. Ambos foram presumidos para resultar em uma proteína truncada que termina prematuramente no meio de um domínio de ligação ao DNA. Estas proteínas retêm o domínio de transativação do terminal amino, mas carecem do sinal de localização nuclear e do domínio de tetramerização necessários para a atividade completa. Além disso, nenhuma variante de splicing alternativa envolvendo esses exons contendo mutação é conhecida em qualquer espécie, indicando que essas mutações sem sentido têm maior probabilidade de resultar em um fenótipo nulo. Todas as três mutações missense estão em resíduos altamente conservados dentro da região de ligação ao DNA, mas uma caracterização mais detalhada será necessária para concluir qualquer coisa sobre seu efeito na função da proteína.

Mutagênese de alvo selecionado de Oryzias latipes p53 gene. Organização genômica e estrutura proteica do medaka p53 gene. A região analisada por PCR e re-sequenciação didesoxi é indicada por setas bidirecionais. As mutações ENU são mostradas por setas sólidas. DBD da região regulatória básica básica, domínio de ligação de DNA NLS, sinal de localização nuclear TAD rico em pró, domínio rico em prolina, domínio de transativação TET, domínio de tetramerização.

A indução do gene alvo prejudicada após o dano ao DNA é um dos fenótipos que é esperado em um p53 animal knockout [18]. p53 E241X / E241X embriões foram irradiados com γ e a indução de p21, Mdm2 e Bax genes foi examinado por RT-PCR. Como esperado, nenhum aumento desses genes-alvo foi observado em p53 E241X / E241X peixes homozigotos, enquanto os peixes controle mostraram claramente a regulação positiva de p21 e Mdm2 nível de transcrição em resposta à radiação ionizante (IR), (Figura 3a). Curiosamente, o nível basal do p53 a transcrição foi diminuída em p53 E241X / E241X peixe. Isso pode ser devido ao decaimento mediado por nonsense [19] do RNA mutante, um fenômeno que é freqüentemente observado em mutantes nonsense induzidos por ENU (E Cuppen, observações não publicadas), embora um mecanismo autoregulador não possa ser excluído. Os mesmos resultados foram obtidos para o segundo alelo sem sentido (p53 Y186X / Y186X dados não mostrados). Em seguida, investigamos se a apoptose induzida por IR foi afetada em p53 E241X / E241X mutantes. As culturas de células primárias foram derivadas de tipo selvagem e p53 E241X / E241X peixes, irradiados com γ e observados por microscopia de vídeo de lapso de tempo para apoptose. Enquanto 13,2% (15 de 142 células contadas) de p53 células + / + sofreram apoptose, nenhuma das p53 E241X / E241X as células (0 de 121 células) mostraram fragmentação do núcleo (Figura 3b). Esses resultados são consistentes com um fenótipo de perda de função completa de p53 nesses mutantes medaka.

Induzida por radiação p53 indução do gene alvo e apoptose. (uma) Transativação de genes alvo induzida por IR prejudicada. Usando RT-PCR semiquantitativo, indução de Mdm2 e p21 após a irradiação γ pode ser facilmente observada em embriões de tipo selvagem e heterozigotos, mas está ausente em animais homozigotos para o p53 alelo mutante. (b) Supressão da apoptose em células cultivadas primárias. Células primárias derivadas de p53 E241X / E241X e p53 + / + embriões foram irradiados com 10 Gy de radiação ionizante e observados por microscopia de lapso de tempo. As células apoptóticas de embriões homozigotos com núcleos fragmentados são indicadas com setas.

Para monitorar a tumorigênese espontânea, p53 Nocaute (p53 E241X / E241X , n = 21), heterozigoto (p53 +/E241X , n = 26), e tipo selvagem (p53 +/+ , n = 10) irmãos da mesma ninhada foram criados até a idade adulta para monitorar a tumorigênese espontânea. Apenas um único p53 + / + peixes morreram dentro de 10 meses após o nascimento, sem sinais óbvios de câncer (Figura 4). Peixes heterozigotos desenvolveram alguns tumores durante o curso de observação (dois dos cinco peixes que morreram durante os primeiros dez meses tinham tumores claros), mas a taxa de mortalidade era relativamente baixa. Em contraste, uma predisposição tumoral dramática foi observada nos homozigotos, com a primeira incidência de tumorigênese observada já aos 2,5 meses de idade. A frequência de formação de tumor aumentou após 5 meses de idade, resultando em uma vida útil média de 228 dias. Todos os peixes homozigotos morreram dentro de 10 meses e 11 dos 21 animais tinham tumores claros. A taxa real de tumor é provavelmente mais alta, já que uma parte significativa dos peixes mortos não pôde ser examinada adequadamente, devido à rápida decomposição. Deve ser mencionado que pelo menos 2 dos 21 p53 E241X / E241X peixes morreram sem quaisquer sinais macroscópicos de tumores. o p53 Y186X / Y186X peixes também desenvolveram tumores, mas a uma taxa menor em comparação com o p53 E241X / E241X mutante. O tempo de vida médio também aumentou ligeiramente (311 dias), mas ainda era muito mais curto do que para peixes de tipo selvagem (Figura 4). A diferença na tumorigênese entre os dois alelos sem sentido diferentes não está clara neste momento. Não podemos excluir a possibilidade de que mutações ENU co-segregantes afetam a predisposição para desenvolver tumores no p53 E241X fundo. A análise de heteroalélicos p53 E241X / Y186X peixes e / ou análises de outras linhas cruzadas devem resolver este problema.

Curva de sobrevivência de p53 medaka mutante. A viabilidade de companheiros de ninhada do tipo selvagem (linhas pontilhadas), heterozigotos (linhas tracejadas) e homozigotos (linhas sólidas) do p53 E241X (Preto e p53 Y186X / Y186X peixes (cinza) foram monitorados por 10 meses.

Caracterização estereoscópica e histológica de portadores de tumor p53 E241X peixes mutantes revelaram uma grande variedade de tipos de tumor nos rins, olhos, cérebro, intestino, guelras, timo e testículos (Figuras 5 e 6). Em um caso, onde o rim é a origem primária, as células linfóides se espalham por todo o espaço intersticial, destruindo a arquitetura normal dos túbulos renais e glomérulos (Figura 5). Isso é consistente com a observação de que o rim teleósteo é um mesonefro no desenvolvimento, que é o local para hematopoiese em peixes adultos e parece funcionar de forma análoga à medula óssea em mamíferos [20]. Considerando uma ocorrência natural muito baixa de tumores em medaka jovem (& lt0,01%) e a propensão de medaka a tumores hepáticos [21], a diversidade em tipos de tumor e a alta incidência de tumores observada em p53- peixes deficientes implicam que o p53 nocaute medaka são altamente suscetíveis à tumorigênese espontânea em comparação com seus p53- companheiros de ninhada proficientes, embora o número de peixes examinados neste estudo fosse relativamente pequeno.

Tumor renal típico, conforme encontrado em p53 E241X / E241X peixes homozigotos. (uma) Uma visão estereoscópica do tumor renal identificado em um homozigoto de 2,5 meses de idade p53 E241X / E241X peixe. (b-d) Coloração com hematoxilina-eosina de rim normal (b) e neoplásico (c) de medaka. Observe que o tecido intersticial está infiltrado com numerosas células hematopoiéticas que destroem a arquitetura normal dos túbulos renais. A maior ampliação mostra a mistura de pequenos linfócitos com pouco citoplasma e as células do tipo plasmocito com grande citoplasma basofílico (d).

Vários tumores que se desenvolveram espontaneamente em p53 nocautes de medaka. (a, b) O tumor que surgiu na guelra esquerda de um p53 E241X/ + peixes com o infiltrado linfomatoso, consistente com o diagnóstico de linfoma tímico. (CD) Adenocarcinoma encontrado na brânquia direita de um p53 E241X / E241X peixes homozigotos. (e, f) Retinoblastoma no olho direito de um p53 E241X / E241X peixes homozigotos. Observe as estruturas semelhantes a rosetas em todo o tumor. (g, h) Um tumor de células germinativas encontrado na parte superior anterior da cavidade peritoneal de um p53 E241X / E241X peixes homozigotos. Todos os peixes aqui apresentados morreram ou foram sacrificados por volta dos 8 meses de idade. As setas indicam tumores. Coloração com hematoxilina-eosina, ampliação original: (b, d) 100 × (f, h) 10 ×.

No p53- peixe-zebra deficiente, os tumores da bainha do nervo periférico predominaram [22]. A diferença no espectro do tumor pode ser causada pelo tipo de mutação introduzida no genoma, ou seja, uma mutação missense em um resíduo conservado em peixe-zebra versus uma mutação nonsense em medaka, ou pela presença de genes secundários específicos do organismo que estão diferencialmente envolvidos em susceptibilidade ao tumor. O desenvolvimento desse tumor específico de tecido em diferentes espécies é de grande interesse, pois esse fenômeno também é encontrado em mamíferos: em pacientes com síndrome de Li-Fraumeni, causada por mutações no corpo humano. p53 gene, câncer de mama e sarcomas são os mais comuns, enquanto p53 camundongos knockout desenvolvem linfomas de células T [23, 24]. Essas diferenças reforçam a necessidade de estudos paralelos em múltiplos organismos modelo.

Identificamos uma mutação sem sentido que resulta em uma proteína Parkin truncada em Tyr314, eliminando o domínio RING intermediário (IBR) e o segundo domínio RING (RING2), que são críticos para sua atividade ubiquitina ligase [25]. Curiosamente, uma mutação semelhante, que resulta no truncamento da proteína Parkin em Glu311, foi encontrada em um paciente humano com parkinsonismo juvenil [26]. Para o Blm gene, o códon de parada prematuro foi introduzido na posição Glu497, que remove todo o domínio crítico da helicase. Novamente, uma proteína truncada de 515 aminoácidos de comprimento semelhante foi relatada em um caso de doença humana que resulta de uma inserção de 1 bp antes do domínio helicase [27]. Deve-se notar que o nocaute completo do Blm gene resulta em letalidade embrionária em camundongos [28], enquanto Blm peixes medaka mutantes são viáveis, semelhantes aos humanos. Esperamos que os mutantes medaka dos genes do Parkinsonismo e da síndrome de Bloom possam servir como valiosos modelos de doença, e atualmente estão caracterizando seus fenótipos em detalhes.


Discussão

O objetivo deste projeto foi identificar novos genes ciliares / ciliopatia usando uma abordagem genômica comparativa que explora sequências emergentes e dados de anotação de sequências de espécies animais relacionadas. Aqui, identificamos uma extensa lista (total de 93) de genes regulados por X-box candidatos, dos quais aproximadamente um terço são genes regulados por X-box / ciliares conhecidos. Muitos, ou mesmo a maioria, desses genes ciliares candidatos, quando mutados, podem causar um defeito no preenchimento do corante. Uma vez que a maioria (83 de 93) dos genes regulados pela caixa X candidatos em C. elegans têm ortólogos humanos prontamente identificáveis ​​(arquivo de dados adicionais 2), seria produtivo rastrear pacientes com ciliopatias conhecidas, como BBS, para mutações que afetam alguns desses genes. Além disso, com base na correlação entre o fenótipo Dyf e a função do gene ciliar, a regulação de tais genes pelo fator de transcrição DAF-19 de ligação a X-box e a conservação de tais motivos na irmã Caenorhabditis genomas, nós clonamos com sucesso dyf-5 e identificou pelo menos um outro dyf gene, a saber ZK520.3 para dyf-2, que foi caracterizado em outro lugar [24]. A clonagem destes dyf genes demonstrou a eficácia da abordagem combinada de genômica comparativa e análise genética apresentada aqui. O recém-clonado dyf-5 gene pode ser um C. elegans ortólogo de um ser humano ainda não identificado BBS ou outro gene associado à ciliopatia, uma vez que todos estudaram C. elegans ortólogos de humanos conhecidos BBS genes resultam em um fenótipo Dyf quando interrompidos [18, 20, 40].

Como os motivos reguladores da transcrição são geralmente curtos (menos de 20 bp) e degenerados, muitos milhares de locais de ligação potencial para qualquer fator de transcrição devem ser encontrados por acaso [41] e isso representa um grande desafio na identificação genuíno sítios de ligação, especialmente em grandes genomas de eucariotos. Nossa abordagem supera esse desafio usando genômica comparativa e a recente disponibilidade de múltiplas irmãs Caenorhabditis genomas. No contexto da identificação de locais de ligação de fator de transcrição e genes alvo, tal abordagem é indiscutivelmente vantajosa em comparação com abordagens que dependem de co-expressão, que pode ser coincidente ou mesmo secundária a uma via regulatória de transcrição comum e, assim, levar a uma alta taxa de falso-positivo. De fato, muitos dos 466 genes regulados daf-19 identificados neste estudo por perfil de expressão de microarray não contêm o motivo X-box em seus promotores e não são necessariamente regulados diretamente por DAF-19. Além disso, a genômica comparativa é vantajosa porque não encontra problemas de ruído de dados e amostragem tendenciosa associados a projetos de genômica funcional. Por outro lado, a estratégia baseada em genômica comparativa revela apenas motivos altamente conservados, enquanto outros são considerados falsos positivos e descartados de acordo. Uma advertência deste procedimento de filtragem bastante conservador é que os motivos de ligação específicos da espécie, ou motivos mais divergentes, são erroneamente descartados, levando a uma taxa de falsos negativos não desprezível. Portanto, os genes regulados pela X-box candidatos identificados neste projeto podem representar apenas uma parte de todo o conjunto de genuíno Genes regulados por X-box em C. elegans. Na verdade, ainda existem sete dyf genes (dyf-4, dyf-7, dyf-8, dyf-9, dyf-10, dyf-11 e dyf-12) no C. elegans que ainda precisam ser identificados. No entanto, devemos estar cientes de que nem todos os não clonados dyf genes são DAF-19 e dependentes de X-box (por exemplo, genes como daf-6 [42] que são expressos na célula da bainha ou célula do alvéolo quando mutados também podem levar ao fenótipo Dyf). Para clonar estes genuíno Regulado por X-box dyf genes e identificar genes regulados por X-box adicionais, alguns dos quais podem estar não clonados osm ou che genes, precisaremos ter uma compreensão mais detalhada das propriedades dos motivos X-box, incluindo a variação, posição preferida no promotor e interação com outros motivos de ligação. Algumas dessas questões serão pelo menos parcialmente respondidas depois de termos validado mais de nossos genes candidatos contendo X-box em C. elegans. Este estudo e estudos anteriores [6, 10, 16, 17] descobriram que a maioria das caixas-X conhecidas estão localizadas a 250 bp a montante do local de início da translação (ATG). No entanto, muitas caixas-X genuínas residem longe dessa região ótima, sugerindo ainda que outros fatores ou propriedades das caixas-X que são críticas para suas funções ainda precisam ser identificados.

Além disso, a melhoria na curadoria de genes e o surgimento de genomas sequenciados mais relacionados, incluindo Caenorhabditis japonica e CB5161, sem dúvida, servirá para reduzir acertos falsos negativos e revelar mais alvos. Por último, as abordagens genômicas funcionais, incluindo as tecnologias ChIP-Chip [43], SACO [44] ou ChIP-PET [45, 46], ajudarão a identificar mais genes candidatos novos, em particular os específicos para espécies.


Exemplos de alelo

Cor da flor em ervilhas

As interações entre esses alelos produzem importante variabilidade nas flores. Embora o alelo recessivo possa ser mascarado pelo alelo dominante, isso não significa que o alelo dominante seja melhor para a planta. Pode ser verdade que as flores brancas atraiam mais polinizadores e, portanto, têm mais sucesso na reprodução. Se isso fosse verdade, a frequência do alelo do alelo não funcionante aumentaria na população, mesmo que não esteja funcionando. Às vezes, a função mais adaptável de uma enzima é não ter a enzima funcionando.

Vários genes em ervilhas

Uma das coisas que mais interessou a Mendel foi a enorme variedade que ele poderia obter cruzando duas plantas aparentemente idênticas. Abaixo está uma tabela das várias características observadas por Mendel. Ele observou que, embora cada um desses traços tivesse apenas duas formas, os diferentes alelos podiam ser combinados em uma enorme variedade de padrões e formas. O que Mendel estava começando a descrever eram as leis de segregação e classificação independente.

As leis de segregação e classificação independente lidam com a maneira como as células dividem seu DNA para preparar células haplóides como espermatozóides e óvulos. Embora ambos os alelos para uma determinada característica comecem na mesma célula diplóide, eles serão separados em óvulos ou espermatozoides separados ao final da meiose. Isso, a lei da segregação, significa que embora um alelo recessivo possa ser mascarado na expressão de um organismo, ele tem a mesma chance de ser transmitido à prole como um alelo dominante. Também importante é a lei da classificação independente, que diz que os alelos do mesmo gene serão classificados independentemente dos alelos de outros genes. Isso é importante porque dá origem à enorme complexidade da vida. Dos mesmos pais de ervilha, graças a essas leis, você pode receber descendentes com qualquer combinação de características listadas na tabela acima, mesmo se os pais forem iguais.


HERANÇA DE DOIS GENES

Cruz Diíbrida: Quando dois pares de caracteres são estudados na cruz, ela é chamada de cruz di-híbrida.

Mendel selecionou a cor amarela (YY) e a cor verde (yy) como cor da semente. Ele ainda selecionou sementes redondas (RR) e sementes enrugadas (rr) para a textura das sementes. Neste caso, a cor amarela é dominante sobre a cor verde, enquanto a textura redonda é dominante sobre a textura enrugada.

Geração F1: Quando os gametas RY e ry foram cruzados, todas as plantas na geração F1 produziram sementes amarelas e enrugadas (RrYy). O genótipo era heterozigoto nessas plantas. Cor amarela e textura arredondada mostraram dominância.

Quando as plantas da geração F1 foram autorizadas a se autopolinizarem, o resultado poderia ser mostrado seguindo o Punette Square.

GAMETESRRrYRyry
RYRRYYRrYyRRYyRrYy
rYRrYYrrYYRrYyrrYy
RyRRYyRrYyRRyyRryy
ryRrYyrrYyRryyrryy

As plantas da geração F2 produziram 3 tipos de sementes, ou seja, amarelo redondo, amarelo enrugado, verde redondo e verde enrugado na proporção de 9: 3: 3: 1. Com base nessa observação, Mendel propôs a Lei do Sortimento Independente.

Lei do sortimento independente: Quando dois pares de características são combinados em um híbrido, a segregação de um par de caracteres é independente do outro par de caracteres.

Teoria Cromossômica da Herança: Os cromossomos, assim como os genes, ocorrem aos pares. Os dois alelos de um par de genes estão localizados em sítios homólogos de cromossomos homólogos. Sutton e Boveri argumentaram que o emparelhamento e a separação de um par de cromossomos levaria à segregação de um par de fatores que eles carregavam. Sutton uniu o conhecimento da segregação cromossômica e os princípios de Mendel e o denominou Teoria Cromossômica da Herança.

Ligação: A associação física de genes em um cromossomo é chamada de ligação.

Recombinação: A combinação de genes não parentais é chamada de recombinação.

Morgan realizou vários cruzamentos dihíbridos em Drosophila para estudar genes ligados ao sexo. Morgan hibridizou fêmeas de corpo amarelo e olhos brancos com machos de corpo marrom e olhos vermelhos. Ele cruzou a progênie F1. Ele observou que os dois genes não segregaram independentemente um do outro, e a proporção F2 se desviou muito significativamente da proporção 9: 3: 3: 1. Morgan estava ciente de que os genes estavam localizados no cromossomo X. Ele pôde ver que, quando os dois genes em um cruzamento di-hibrido estavam situados no mesmo cromossomo, a proporção de combinações de genes parentais era muito maior do que as combinações de genes não parentais. Isso foi atribuído à associação física ou ligação dos dois genes. Morgan também descobriu que mesmo quando os genes estavam agrupados no mesmo cromossomo, alguns genes estavam fortemente ligados, enquanto outros estavam vagamente ligados. Os genes fortemente ligados mostraram recombinação muito baixa, enquanto os genes fracamente ligados mostraram alta recombinação. Por exemplo, genes para cores brancas e amarelas estavam fortemente ligados e mostraram apenas 1,3% de recombinação. Por outro lado, os genes para asa branca e miniatura mostraram 37,2% de recombinação porque estavam vagamente ligados.


O que é um alelo?

Quando os genes sofrem mutação, eles podem assumir várias formas, com cada forma diferindo ligeiramente na sequência de seu DNA de base. Essas variantes do gene ainda codificam para a mesma característica (ou seja, cor do cabelo), mas diferem na forma como a característica é expressa (ou seja, cabelo castanho versus louro). Diferentes versões do mesmo gene são chamadas alelos.

Os genes podem ter dois ou mais alelos possíveis. Os humanos individuais têm dois alelos, ou versões, de cada gene. Porque os humanos têm duas variantes genéticas para cada gene, somos conhecidos como diplóide organismos.

Quanto maior o número de alelos potenciais, mais diversidade em um determinado traço hereditário. Um número incrível de genes e formas gênicas está subjacente à diversidade genética humana, e eles são a razão pela qual não há duas pessoas exatamente iguais.

Como exemplo, vejamos a cor dos olhos. Em um modelo simplificado, assumiremos que há apenas um gene que codifica para a cor dos olhos (embora haja vários genes envolvidos na maioria das características físicas). Olhos azuis, verdes, marrons e castanhos são codificados por alelos exclusivos do referido gene. O par de alelos presentes nos cromossomos de um indivíduo determina a cor dos olhos que será expressa.


Conteúdo

Polimorfismos de nucleotídeo único podem cair em sequências codificantes de genes, regiões não codificantes de genes ou nas regiões intergênicas (regiões entre genes). SNPs dentro de uma sequência de codificação não alteram necessariamente a sequência de aminoácidos da proteína que é produzida, devido à degenerescência do código genético.

SNPs na região de codificação são de dois tipos: SNPs sinônimos e não-sinônimos. SNPs sinônimos não afetam a sequência da proteína, enquanto SNPs não sinônimos alteram a sequência de aminoácidos da proteína.

  • SNPs em regiões não codificantes podem se manifestar em um risco maior de câncer, [11] e podem afetar a estrutura do mRNA e a suscetibilidade à doença. [12] SNPs não codificantes também podem alterar o nível de expressão de um gene, como um eQTL (locus de traço quantitativo de expressão).
  • SNPs em regiões de codificação:
      por definição, não resultam em uma mudança de aminoácido na proteína, mas ainda podem afetar sua função de outras maneiras. An example would be a seemingly silent mutation in the multidrug resistance gene 1 (MDR1), which codes for a cellular membrane pump that expels drugs from the cell, can slow down translation and allow the peptide chain to fold into an unusual conformation, causing the mutant pump to be less functional (in MDR1 protein e.g. C1236T polymorphism changes a GGC codon to GGT at amino acid position 412 of the polypeptide (both encode glycine) and the C3435T polymorphism changes ATC to ATT at position 1145 (both encode isoleucine)). [13] :
        – single change in the base results in change in amino acid of protein and its malfunction which leads to disease (e.g. c.1580G>T SNP in LMNA gene – position 1580 (nt) in the DNA sequence (CGT codon) causing the guanine to be replaced with the thymine, yielding CTT codon in the DNA sequence, results at the protein level in the replacement of the arginine by the leucine in the position 527, [14] at the phenotype level this manifests in overlapping mandibuloacral dysplasia and progeria syndrome) – point mutation in a sequence of DNA that results in a premature stop codon, or a nonsense codon in the transcribedmRNA, and in a truncated, incomplete, and usually nonfunctional protein product (e.g. Cystic fibrosis caused by the G542X mutation in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator gene). [15]
  • SNPs that are not in protein-coding regions may still affect gene splicing, transcription factor binding, messenger RNA degradation, or the sequence of noncoding RNA. Gene expression affected by this type of SNP is referred to as an eSNP (expression SNP) and may be upstream or downstream from the gene.

    More than 335 million SNPs have been found across humans from multiple populations. A typical genome differs from the reference human genome at 4 to 5 million sites, most of which (more than 99.9%) consist of SNPs and short indels. [16]

    Within a genome Edit

    The genomic distribution of SNPs is not homogenous SNPs occur in non-coding regions more frequently than in coding regions or, in general, where natural selection is acting and "fixing" the allele (eliminating other variants) of the SNP that constitutes the most favorable genetic adaptation. [17] Other factors, like genetic recombination and mutation rate, can also determine SNP density. [18]

    SNP density can be predicted by the presence of microsatellites: AT microsatellites in particular are potent predictors of SNP density, with long (AT)(n) repeat tracts tending to be found in regions of significantly reduced SNP density and low GC content. [19]

    Within a population Edit

    There are variations between human populations, so a SNP allele that is common in one geographical or ethnic group may be much rarer in another. However, this pattern of variation is relatively rare in a global sample of 67.3 million SNPs, the Human Genome Diversity Project

    found no such private variants that are fixed in a given continent or major region. The highest frequencies are reached by a few tens of variants present at >70% (and a few thousands at >50%) in Africa, the Americas, and Oceania. By contrast, the highest frequency variants private to Europe, East Asia, the Middle East, or Central and South Asia reach just 10 to 30%. [20]

    Within a population, SNPs can be assigned a minor allele frequency—the lowest allele frequency at a locus that is observed in a particular population. [21] This is simply the lesser of the two allele frequencies for single-nucleotide polymorphisms.

    With this knowledge scientists have developed new methods in analyzing population structures in less studied species. [22] [23] [24] By using pooling techniques the cost of the analysis is significantly lowered. [ citação necessária ] These techniques are based on sequencing a population in a pooled sample instead of sequencing every individual within the population by itself. With new bioinformatics tools there is a possibility of investigating population structure, gene flow and gene migration by observing the allele frequencies within the entire population. With these protocols there is a possibility in combining the advantages of SNPs with micro satellite markers. [25] [26] However, there are information lost in the process such as linkage disequilibrium and zygosity information.

      can determine whether a genetic variant is associated with a disease or trait. [27]
    • A tag SNP is a representative single-nucleotide polymorphism in a region of the genome with high linkage disequilibrium (the non-random association of alleles at two or more loci). Tag SNPs are useful in whole-genome SNP association studies, in which hundreds of thousands of SNPs across the entire genome are genotyped. mapping: sets of alleles or DNA sequences can be clustered so that a single SNP can identify many linked SNPs. (LD), a term used in population genetics, indicates non-random association of alleles at two or more loci, not necessarily on the same chromosome. It refers to the phenomenon that SNP allele or DNA sequence that are close together in the genome tend to be inherited together. LD can be affected by two parameters (among other factors, such as population stratification): 1) The distance between the SNPs [the larger the distance, the lower the LD]. 2) Recombination rate [the lower the recombination rate, the higher the LD]. [28]

    Importance Edit

    Variations in the DNA sequences of humans can affect how humans develop diseases and respond to pathogens, chemicals, drugs, vaccines, and other agents. SNPs are also critical for personalized medicine. [29] Examples include biomedical research, forensics, pharmacogenetics, and disease causation, as outlined below.

    Clinical research Edit

    SNPs' greatest importance in clinical research is for comparing regions of the genome between cohorts (such as with matched cohorts with and without a disease) in genome-wide association studies. SNPs have been used in genome-wide association studies as high-resolution markers in gene mapping related to diseases or normal traits. [30] SNPs without an observable impact on the phenotype (so called silent mutations) are still useful as genetic markers in genome-wide association studies, because of their quantity and the stable inheritance over generations. [31]

    Forensics Edit

    SNPs have historically been used to match a forensic DNA sample to a suspect but has been made obsolete due to advancing STR-based DNA fingerprinting techniques. However, the development of next-generation-sequencing (NGS) technology may allow for more opportunities for the use of SNPs in phenotypic clues such as ethnicity, hair color, and eye color with a good probability of a match. This can additionally be applied to increase the accuracy of facial reconstructions by providing information that may otherwise be unknown, and this information can be used to help identify suspects even without a STR DNA profile match.

    Some cons to using SNPs versus STRs is that SNPs yield less information than STRs, and therefore more SNPs are needed for analysis before a profile of a suspect is able to be created. Additionally, SNPs heavily rely on the presence of a database for comparative analysis of samples. However, in instances with degraded or small volume samples, SNP techniques are an excellent alternative to STR methods. SNPs (as opposed to STRs) have an abundance of potential markers, can be fully automated, and a possible reduction of required fragment length to less than 100bp.[26]

    Farmacogenética Editar

    Some SNPs are associated with the metabolism of different drugs. [32] [33] SNP's can be mutations, such as deletions, which can inhibit or promote enzymatic activity such change in enzymatic activity can lead to decreased rates of drug metabolism [34] The association of a wide range of human diseases like cancer, infectious diseases (AIDS, leprosy, hepatitis, etc.) autoimmune, neuropsychiatric and many other diseases with different SNPs can be made as relevant pharmacogenomic targets for drug therapy. [35]

    Disease Edit

    A single SNP may cause a Mendelian disease, though for complex diseases, SNPs do not usually function individually, rather, they work in coordination with other SNPs to manifest a disease such as in Osteoporosis.[33] One of the earliest successes in this field was finding a single base mutation in the non-coding region of the APOC3 (apolipoprotein C3 gene) that associated with higher risks of hypertriglyceridemia and atherosclerosis.[34]. Some diseases caused by SNPs include rheumatoid arthritis, crohn’s disease, breast cancer, alzheimer's, and some autoimmune disorders. Large scale association studies have been performed to attempt to discover additional disease causing SNPs within a population , but a large number of them are still unknown.

      and rs6313 are SNPs in the Serotonin 5-HT2A receptor gene on human chromosome 13. [36]
    • A SNP in the F5 gene causes Factor V Leiden thrombophilia.[37] is an example of a triallelic SNP in the CRP gene on human chromosome 1. [38] codes for PTC tasting ability, and contains 6 annotated SNPs. [39]
    • rs148649884 and rs138055828 in the FCN1 gene encoding M-ficolin crippled the ligand-binding capability of the recombinant M-ficolin. [40]
    • An intronic SNP in DNA mismatch repair gene PMS2 (rs1059060, Ser775Asn) is associated with increased spermDNA damage and risk of male infertility. [41]

    As there are for genes, bioinformatics databases exist for SNPs.

    • dbSNP is a SNP database from the National Center for Biotechnology Information (NCBI). As of June 8, 2015 [update] , dbSNP listed 149,735,377 SNPs in humans. [42][43]
    • Kaviar[44] is a compendium of SNPs from multiple data sources including dbSNP.
    • SNPedia is a wiki-style database supporting personal genome annotation, interpretation and analysis.
    • o OMIM database describes the association between polymorphisms and diseases (e.g., gives diseases in text form)
    • dbSAP – single amino-acid polymorphism database for protein variation detection [45]
    • The Human Gene Mutation Database provides gene mutations causing or associated with human inherited diseases and functional SNPs
    • The International HapMap Project, where researchers are identifying Tag SNPs to be able to determine the collection of haplotypes present in each subject. allows users to visually interrogate the actual summary-level association data in one or more genome-wide association studies.

    The International SNP Map working group mapped the sequence flanking each SNP by alignment to the genomic sequence of large-insert clones in Genebank. These alignments were converted to chromosomal coordinates that is shown in Table 1. [46] This list has greatly increased since, with, for instance, the Kaviar database now listing 162 million single nucleotide variants (SNVs).

    Cromossoma Length(bp) All SNPs TSC SNPs
    Total SNPs kb per SNP Total SNPs kb per SNP
    1 214,066,000 129,931 1.65 75,166 2.85
    2 222,889,000 103,664 2.15 76,985 2.90
    3 186,938,000 93,140 2.01 63,669 2.94
    4 169,035,000 84,426 2.00 65,719 2.57
    5 170,954,000 117,882 1.45 63,545 2.69
    6 165,022,000 96,317 1.71 53,797 3.07
    7 149,414,000 71,752 2.08 42,327 3.53
    8 125,148,000 57,834 2.16 42,653 2.93
    9 107,440,000 62,013 1.73 43,020 2.50
    10 127,894,000 61,298 2.09 42,466 3.01
    11 129,193,000 84,663 1.53 47,621 2.71
    12 125,198,000 59,245 2.11 38,136 3.28
    13 93,711,000 53,093 1.77 35,745 2.62
    14 89,344,000 44,112 2.03 29,746 3.00
    15 73,467,000 37,814 1.94 26,524 2.77
    16 74,037,000 38,735 1.91 23,328 3.17
    17 73,367,000 34,621 2.12 19,396 3.78
    18 73,078,000 45,135 1.62 27,028 2.70
    19 56,044,000 25,676 2.18 11,185 5.01
    20 63,317,000 29,478 2.15 17,051 3.71
    21 33,824,000 20,916 1.62 9,103 3.72
    22 33,786,000 28,410 1.19 11,056 3.06
    X 131,245,000 34,842 3.77 20,400 6.43
    Y 21,753,000 4,193 5.19 1,784 12.19
    RefSeq 15,696,674 14,534 1.08
    Totais 2,710,164,000 1,419,190 1.91 887,450 3.05

    The nomenclature for SNPs include several variations for an individual SNP, while lacking a common consensus.

    The rs### standard is that which has been adopted by dbSNP and uses the prefix "rs", for "reference SNP", followed by a unique and arbitrary number. [47] SNPs are frequently referred to by their dbSNP rs number, as in the examples above.

    The Human Genome Variation Society (HGVS) uses a standard which conveys more information about the SNP. Examples are:

    • c.76A>T: "c." for coding region, followed by a number for the position of the nucleotide, followed by a one-letter abbreviation for the nucleotide (A, C, G, T or U), followed by a greater than sign (">") to indicate substitution, followed by the abbreviation of the nucleotide which replaces the former [48][49][50]
    • p.Ser123Arg: "p." for protein, followed by a three-letter abbreviation for the amino acid, followed by a number for the position of the amino acid, followed by the abbreviation of the amino acid which replaces the former. [51]

    SNPs can be easily assayed due to only containing two possible alleles and three possible genotypes involving the two alleles: homozygous A, homozygous B and heterozygous AB, leading to many possible techniques for analysis. Some include: DNA sequencing capillary electrophoresis mass spectrometry single-strand conformation polymorphism (SSCP) single base extension electrochemical analysis denaturating HPLC and gel electrophoresis restriction fragment length polymorphism and hybridization analysis.


    7.12: Genes and alleles - Biology

    Mendel implied that only two alleles, one dominant and one recessive, could exist for a given gene. We now know that this is an oversimplification. Embora os humanos individuais (e todos os organismos diplóides) possam ter apenas dois alelos para um determinado gene, vários alelos podem existir no nível da população de forma que muitas combinações de dois alelos sejam observadas. Note that when many alleles exist for the same gene, the convention is to denote the most common phenotype or genotype among wild animals as the tipo selvagem (often abbreviated “+”) this is considered the standard or norm. All other phenotypes or genotypes are considered variants of this standard, meaning that they deviate from the wild type. The variant may be recessive or dominant to the wild-type allele.

    An example of multiple alleles is coat color in rabbits (Figure 1). Aqui, existem quatro alelos para o c gene. A versão do tipo selvagem, C + C + , é expresso como pelo marrom. O fenótipo de chinchila, c ch c ch, é expresso como pelo branco com pontas pretas. O fenótipo do Himalaia, c h c h, tem pelo preto nas extremidades e pelo branco em outras partes. Finally, the albino, or “colorless” phenotype, cc, é expresso como pelo branco. Em casos de alelos múltiplos, podem existir hierarquias de dominância. Neste caso, o alelo de tipo selvagem é dominante sobre todos os outros, a chinchila é incompletamente dominante sobre o Himalaia e albino e o Himalaia é dominante sobre o albino. Essa hierarquia, ou série alélica, foi revelada pela observação dos fenótipos de cada possível prole heterozigota.

    Figure 1. Four different alleles exist for the rabbit coat color (C) gene.

    Figure 2. As seen in comparing the wild-type Drosófila (left) and the Antennapedia mutant (right), the Antennapedia mutant has legs on its head in place of antennae.

    The complete dominance of a wild-type phenotype over all other mutants often occurs as an effect of “dosage” of a specific gene product, such that the wild-type allele supplies the correct amount of gene product whereas the mutant alleles cannot. Para a série alélica em coelhos, o alelo do tipo selvagem pode fornecer uma determinada dosagem de pigmento de pêlo, enquanto os mutantes fornecem uma dosagem menor ou nenhuma. Interestingly, the Himalayan phenotype is the result of an allele that produces a temperature-sensitive gene product that only produces pigment in the cooler extremities of the rabbit’s body.

    Alternativamente, um alelo mutante pode ser dominante sobre todos os outros fenótipos, incluindo o tipo selvagem. Isso pode ocorrer quando o alelo mutante de alguma forma interfere na mensagem genética, de modo que mesmo um heterozigoto com uma cópia do alelo de tipo selvagem expressa o fenótipo mutante. Uma maneira pela qual o alelo mutante pode interferir é aumentando a função do produto do gene do tipo selvagem ou alterando sua distribuição no corpo.

    Um exemplo disso é o Antennapedia mutação em Drosófila (Figura 2). Neste caso, o alelo mutante expande a distribuição do produto do gene e, como resultado, o Antennapedia o heterozigoto desenvolve pernas na cabeça onde deveriam estar as antenas.

    Multiple Alleles Confer Drug Resistance in the Malaria Parasite

    Malaria is a parasitic disease in humans that is transmitted by infected female mosquitoes, including Anopheles gambiae (Figure 3a), and is characterized by cyclic high fevers, chills, flu-like symptoms, and severe anemia. Plasmodium falciparum e P. vivax are the most common causative agents of malaria, and P. falciparum is the most deadly (Figure 3b). When promptly and correctly treated, P. falciparummalaria has a mortality rate of 0.1 percent. However, in some parts of the world, the parasite has evolved resistance to commonly used malaria treatments, so the most effective malarial treatments can vary by geographic region.

    Figure 3. The (a) Anopheles gambiae, or African malaria mosquito, acts as a vector in the transmission to humans of the malaria-causing parasite (b) Plasmodium falciparum, here visualized using false-color transmission electron microscopy. (credit a: James D. Gathany credit b: Ute Frevert false color by Margaret Shear scale-bar data from Matt Russell)

    In Southeast Asia, Africa, and South America, P. falciparum has developed resistance to the anti-malarial drugs chloroquine, mefloquine, and sulfadoxine-pyrimethamine. P. falciparum, que é haploide durante o estágio de vida em que é infeccioso para humanos, desenvolveu vários alelos mutantes resistentes a drogas do dhps gene. Varying degrees of sulfadoxine resistance are associated with each of these alleles. Being haploid, P. falciparum needs only one drug-resistant allele to express this trait.

    In Southeast Asia, different sulfadoxine-resistant alleles of the dhps gene are localized to different geographic regions. Este é um fenômeno evolutivo comum que ocorre porque mutantes resistentes a drogas surgem em uma população e cruzam com outros P. falciparum isolates in close proximity. Parasitas resistentes à sulfadoxina causam sofrimento humano considerável em regiões onde esta droga é amplamente usada como remédio de venda livre para a malária. As is common with pathogens that multiply to large numbers within an infection cycle, P. falciparum evolves relatively rapidly (over a decade or so) in response to the selective pressure of commonly used anti-malarial drugs. For this reason, scientists must constantly work to develop new drugs or drug combinations to combat the worldwide malaria burden. [1]


    Assista o vídeo: Cromossomos homólogos e genes alelos (Dezembro 2021).