Em formação

Gene letal e genética populacional


Na população europeia, cerca de 1 em 2500 pessoas sofre de Fibrose Cística, uma doença autossômica determinada geneticamente (descared). Pais saudáveis ​​têm um filho com fibrose cística. A mulher se casa novamente com um homem saudável. Qual é a chance de um filho desse segundo casamento sofrer de Fibrose Cística?

Minha tentativa

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Genética da fibrose cística

A fibrose cística é causada por um alelo autossômico recessivo. Portanto, sabemos que a frequência do alelo recessivo homozigoto é $ P_ {aa} = frac {1} {2500} $, onde $ a $ denota o alelo recessivo e $ A $ denota o alelo dominante.

Resolvendo o problema

A probabilidade do segundo filho (de um segundo marido) ter fibrose cística é a probabilidade de um segundo marido ser heterozigoto ($ P_ {aA} $) vezes a probabilidade de esse pai transmitir o alelo recessivo $ a $ ($ frac {1} {2} $) vezes a probabilidade de que a mãe transite o alelo recessivo $ a $ ($ frac {1} {2} $, observe que sabemos que a mãe é heterozigótica, pois é saudável, mas já teve um filho que sofre de fibrose cística).

Portanto, a resposta é $ p_ {Aa} frac {1} {2} frac {1} {2} = p_ {Aa} frac {1} {4} $, só precisamos calcular $ p_ {Aa} $. Seja $ x $ a frequência do alelo recessivo $ a $, então $ P_ {Aa} = 2 x (1-x) $ no equilíbrio de Hardy Weinberg. Como sabemos $ p_ {aa} = frac {1} {2500} = x ^ 2 $, resulta que $ x = sqrt { frac {1} {2500}} = frac {1} {50} = 0,02 $. Portanto, $ p_ {Aa} = 2 x (1-x) = 0,0392 $. A resposta final é $ p_ {Aa} frac {1} {4} = frac {0,0392} {4} = 0,0098 ≈ frac {1} {100} $.

O que você fez de errado

Você estava muito perto da resposta certa. Em seus cálculos, você multiplicou a frequência do alelo recessivo $ a $ (que chamei de $ x $) por $ frac {1} {4} $, mas você deveria ter multiplicado a frequência dos genótipos heterozigotos (que chamei de $ p_ { Aa} = 2 x (1-x) $) por $ frac {1} {4} $.


Identificação de genes letais embrionários em humanos por mapeamento de autozigosidade e sequenciamento de exoma em famílias consanguíneas

Identificar variantes genéticas que levam a fenótipos discerníveis é o cerne da genética de Mendel. Uma abordagem que considera a letalidade embrionária como um fenótipo mendeliano genuíno tem o potencial de revelar novas causas genéticas, o que aumentará nossa compreensão do desenvolvimento humano inicial em nível molecular. Famílias consanguíneas nas quais a letalidade embrionária segregada como um fenótipo Mendeliano recessivo oferecem uma oportunidade única para a descoberta de novos genes de alto rendimento, como foi estabelecido para outros fenótipos pós-natais recessivos.

Resultados

Estudamos 24 famílias elegíveis usando mapeamento de autozigosidade e sequenciamento de todo o exoma. Além de revelar mutações em genes previamente ligados à letalidade embrionária em casos graves, nossa abordagem revelou sete novos genes candidatos (THSD1, PIGC, UBN1, MYOM1, DNAH14, GALNT14, e FZD6) Uma mutação fundadora em um desses genes, THSD1, que tem sido associada à permeabilidade vascular, foi responsável pela letalidade embrionária em três das famílias do estudo. Ao contrário dos outros seis genes candidatos, fomos capazes de identificar uma segunda mutação em THSD1 em uma família com um fenótipo menos grave consistindo de hidropisia fetal e edema pós-natal persistente, o que fornece suporte adicional para a ligação proposta entre esse gene e a letalidade embrionária.

Conclusões

Nosso estudo representa um passo importante para a análise sistemática de “genes letais embrionários” em humanos.


A estrutura genética da população natural de Raleigh de Drosophila melanogaster revisitada.

A população natural de Raleigh de Drosophila melanogaster foi reanalisada com atenção especial aos possíveis efeitos disgênicos durante a extração de cromossomos. Cerca de 600 segundos cromossomos foram extraídos da população natural de Raleigh, metade no citoplasma de fêmeas capturadas na natureza (fundo genético nativo) e metade no citoplasma da linha de laboratório, C160 (In (2LR) SM1, Cy / In (2LR) bw (V1)) (fundo genético estrangeiro). Não foi possível encontrar diferenças significativas entre os dois esquemas de extração na frequência de segundos cromossomos letais (Q = 0,252 para as linhas com fundo genético negativo vs. 0,231 para as linhas com fundo genético estrangeiro) ou no homozigoto prejudicial (D) e cargas letais (L) (D = 0,210 vs. 0,251 L = 0,287 vs. 0,264). O tamanho efetivo da população foi estimado em aproximadamente 19.000, com base na taxa de alelismo de cromossomos portadores de letais. A carga homozigótica diminuiu acentuadamente nos 15 anos desde um estudo anterior da mesma população.


Materiais e métodos

Locais de soltura e criação

Jacobina, no estado da Bahia, Brasil, é uma cidade de tamanho médio de

75.000 habitantes localizados nas coordenadas 11 ° 10′51 ″ S, 40 ° 31′04 ″ W (Fig. 1). Jacobina é cercada por vários quilômetros em todas as direções pela caatinga, um bioma ecológico seco no qual Ae. aegypti não pode se reproduzir, tornando Jacobina uma ilha para este mosquito.

Mapa de Jacobina. As ovitrampas onde as amostras foram coletadas são indicadas com pontos coloridos, codificados por bairro. Os lançamentos foram feitos nos bairros de Pedra Branca, Catuaba e Inocoop, mas nunca na área Centro. Contribuidores do © OpenStreetMap.

O criadouro da linhagem de liberação está localizado na Biofabrica Moscamed Brasil em Juazeiro, cerca de 200 quilômetros ao norte de Jacobina. Criação em massa e sexagem são descritos em Harris et al. 7 Semanalmente, pupas machos foram transportadas para Jacobina e mantidas em uma instalação local por uma semana para permitir a eclosão antes da liberação. Aproximadamente 450 mil machos OX513A foram liberados a cada semana a partir de junho de 2013 e continuaram até setembro de 2015 6. Os lançamentos foram feitos nos bairros Pedra Branca, Catuaba e Inocoop, mas nunca no Centro. As armadilhas de oviposição foram amostradas semanalmente nas localidades indicadas na Fig. 1. Os ovos foram chocados e as frequências de larvas fluorescentes e selvagens registradas, ver Garzeira et al. 6 para detalhes de proporção fluorescente e tipo selvagem em cada ponto de tempo. As larvas de quarto instar de cada tipo foram colocadas em

80% de etanol e trazido para a Yale University de genotipagem. Mais dados sobre o efeito das liberações em Jacobina podem ser encontrados em Graziera et al. 6 .

Análises genéticas

Usamos um chip SNP Affymetrix desenvolvido para genotipagem 8. Aproximadamente 200 ng de DNA genômico de mosquitos individuais foram colocados em 95 poços de uma placa de 96 poços, com um controle de água destilada. As placas foram enviadas para o Functional Genomics Core na University of North Carolina, Chapel Hill, para hibridização e produção de arquivos de dados enviados para a Yale University. Usamos o pacote R SNPolisher v1.4 (Afffymetrix, Santa Clara, CA) para gerar e processar chamadas de genótipo. Embora o chip SNP contenha sondas para cerca de 27.000 SNPs bialélicos bem validados, passando nos testes de herança Mendeliana e genotipagem & gt98% de todas as amostras 8, 21.770 foram polimórficos em nossas amostras de Jacobina e genotipados em & gt98% de todos os indivíduos.

Nós genotipamos amostras retiradas do Centro e uma amostra combinada de Catuaba / Pedra Branca antes do início das liberações. Então, enquanto os lançamentos continuavam, amostramos todos os bairros seis, 12 e 27–30 meses após o início dos lançamentos. A última amostra em 27-30 meses foi uma amostra combinada de três meses, incluída depois que as liberações cessaram aos 27 meses. Os tamanhos das amostras estão na Tabela 1. Exceto para a amostra final combinada de 27-30 meses, cada amostra analisada após o início das liberações era de armadilhas de ovos expostas por uma única semana e amostras de larvas de pelo menos cinco armadilhas em cada bairro. A posição das armadilhas permaneceu a mesma ao longo do estudo.

Para confirmar que nossas análises genéticas foram precisas na detecção de híbridos, também genotipamos 57 larvas fluorescentes coletadas seis meses nas liberações que representam F1 descendência entre a cepa de liberação e a população natural.

Análises

Realizamos três tipos de análises. Primeiro, para confirmar que nosso painel de SNPs poderia discriminar entre a cepa de liberação OX513A e a população natural antes da liberação, realizamos uma Análise de Componentes Principais (PCA) usando o pacote R em LEA 9. Em segundo lugar, o pacote R “introgresso” 10 foi implementado designando OX513A e Jacobina antes do lançamento (bairros Centro, Catuaba e Pedra Branca combinados) como as duas populações parentais. Terceiro, realizamos uma análise ADMIXTURE conforme descrito em 11 e mostrado na Fig. 2C. Para esta análise, filtramos para excluir SNPs fortemente vinculados usando a opção –indep do PLINK 12, resultando em um painel de 14.252 SNPs. Em seguida, uma análise ANOVA seguida por um teste post-hoc de TukeyHSD foi usada para testar as diferenças estatísticas (nível de confiança de 0,95) nos valores médios de Q entre as populações e, mais importante ainda, entre as populações pré e pós-liberação.

(UMA) Análise de Componentes Principais (PCA) na cepa de liberação OX513A e três bairros Jacobina (Centro e Catuaba / Pedra Branca) antes do início das liberações. (B) Índice híbrido (índice h) conforme realizado em INTROGRESS 10. Um índice de 1,0 indica os indivíduos OX513A “puros”, 0,0 indica os indivíduos Jacobina “puros” em pré-lançamento. Os indivíduos são organizados por bairro indicado na parte inferior da figura e, a seguir, por data de coleta: pré-lançamento, 6, 12 ou 27–30 meses após o lançamento. Os híbridos F1 verificados por fluorescência são agrupados e rotulados como F1. A linha tracejada horizontal representa o ponto de corte (índice h = 0,02) do pré-lançamento máximo observado. (C) ADMIXTURE 11 análise de todos os genótipos individuais. A proporção de cada cor para cada indivíduo representa a proporção da ancestralidade desse indivíduo atribuível ao aglomerado vermelho (OX513A) ou azul (pré-lançamento Jacobina).

Infecções de vírus

A cepa testada do vírus da dengue sorotipo 2 (DENV-2) foi isolada durante uma epidemia no Brasil em 2010 de um paciente em Santos, Brasil. A cepa, designada ACS46 13, foi descrita em Cugola et al. 14 e gentilmente cedido pelo Instituto Evandro Chagas de Belém-PA.

Os procedimentos de infecção do mosquito são descritos em detalhes em Cost-da-Silva et al. 15 Resumidamente, fêmeas pré-acasaladas de cinco a sete dias de idade foram alimentadas com sangue artificialmente usando o alimentador Glytube (22). DENV-2 da nona subcultura (T9) ou ZIKV BR da quarta subcultura (T4) foram misturados com concentrado de eritrócito humano e soro sanguíneo inativado para alimentar as fêmeas. As concentrações finais de DENV-2 e ZIKV BR na solução de alimentação foram 1,7 × 10 10 cópias do genoma / ml e 2,2 × 10 6 unidades formadoras de placa (ufp) / ml, respectivamente.

Ensaios de vírus

Fêmeas ingurgitadas das cepas ROCK, OX513A e Jacobina foram separadas dos mosquitos não ingurgitados e mantidas em sacarose a 10%. Quatorze dias após a refeição de sangue (14 PBM), as mulheres eram CO2 anestesiados e mantidos em gelo. Os corpos individuais dos mosquitos foram separados das cabeças e congelados separadamente imediatamente em gelo seco e armazenados a -80 ° C. O RNA total foi extraído usando QIAamp Viral RNA Mini Kit (Qiagen). As cópias genômicas de DENV-2 ou ZIKV BR foram medidas usando o método de qRT-PCR de uma etapa, conforme descrito em (22). Para gerar a curva padrão DENV-2, um fragmento de 119 pb da cepa ACS46 foi amplificado com os iniciadores D1-TS2 15 e foi clonado no vetor pCR2.1 (Invitrogen). Este plasmídeo foi usado para estimar o número de cópias de DENV para cada amostra. As condições do termociclador para amplificação de DENV-2 foram 48 ° C por 30 min e 95 ° C por 10 min 45 ciclos de 95 ° C por 30 seg, 55 ° C por 30 seg e 60 ° C por 30 seg, e uma curva de fusão etapa de 95 ° C por 1 min, 60 ° C por 30 seg e 95 ° C por 1 min, com aumento da temperatura de 60 ° C a 95 ° C a 0,02 ° C / seg.

Análises estatísticas foram realizadas para avaliar diferenças significativas nos níveis virais (teste de Kruskal-Wallis seguido pelo Teste de Comparação Múltipla de Dunn) ou taxas de infecção de cabeças ou corpos (teste exato de Fisher) entre as três cepas de mosquitos. O programa e os procedimentos para realização das análises foram descritos anteriormente 15.


DISCUSSÃO

Elementos genéticos parasitas ou egoístas têm atrações claras como ferramentas potenciais para engenharia e controle genético populacional, uma vez que são capazes de se espalhar por uma população mesmo que não aumentem a aptidão dos organismos que os carregam - na verdade, eles podem se espalhar mesmo que causem algum dano . Além disso, nossa compreensão cada vez maior da base molecular do impulso significa que está se tornando viável sintetizar elementos artificiais por nós mesmos (Han e Boeke 2004 Adelman et al. Chen 2007 et al. 2007). Este artigo é uma investigação teórica das condições sob as quais uma classe de elemento genético parasita, HEGs, pode ser útil para a engenharia genética de populações e, em particular, para aplicações no controle de vetores de doenças ou pragas. O objetivo do trabalho apresentado aqui é fornecer orientação no projeto de construções eficientes com a menor probabilidade de surgimento de resistência.

São considerados dois usos logicamente diferentes de HEGs. Primeiro, investigamos como sua capacidade intrínseca de homing pode ser posta em uso. Um HEG poderia ser projetado para atingir um gene essencial e, portanto, impor uma carga genética em uma população ou em um vetor para eliminar um gene que é essencial para a transmissão da doença, mas não essencial para o hospedeiro. Em segundo lugar, consideramos um HEG colocado no cromossomo Y que reconhece e corta um ou mais locais do cromossomo X. Ao reduzir a competição do espermatozóide portador de X, o cromossomo Y condutor se espalha, causando uma proporção sexual com tendência masculina que pode reduzir severamente a taxa de crescimento populacional.

Nossos modelos mostram que um HEG que visa um gene essencial pode causar uma redução substancial na aptidão da população, enquanto um que tem como alvo um gene cujo nocaute tem consequências menores para a aptidão do hospedeiro rapidamente vai para a fixação. Essas estratégias contam com a quebra no cromossomo causada pelo HEG sendo reparado pela conversão do gene com o cromossomo homólogo como molde. Em nossos modelos, a frequência de homing por este mecanismo é descrita pelo parâmetro e que normalmente deve ser o mais alto possível. Mas o reparo por conversão gênica não é o único caminho possível, e experimentos mostraram que a frequência dos diferentes tipos de reparo pode depender do contexto genômico. Por exemplo, se o local de clivagem for flanqueado por repetições diretas, a via de recozimento de fita única (SSA) geralmente parece predominar, pelo menos na linha germinativa masculina pré-biótica. Nesse processo, toda a sequência de DNA entre as repetições é removida: assim, o sítio HEG é perdido, mas é improvável que um gene funcional seja reconstituído. Assim, o SSA reduz a eficiência do homing em vez de dar origem a alelos resistentes. Em um conjunto de experimentos com Drosophila, a via SSA foi usada dois terços do tempo na linha germinal masculina pré-biótica com conversão respondendo por apenas 10-20% dos reparos (Preston et al. 2006). Em outros experimentos, sem repetições diretas flanqueando o local de clivagem, o reparo de conversão foi observado ∼85% do tempo [excluindo o reparo da cromátide irmã, que regenera precisamente o local alvo, produzindo um cromossomo que pode simplesmente ser cortado novamente (Rong e Golic 2003)]. Esses experimentos indicam que será importante evitar alvos flanqueados por repetições diretas. O momento da expressão de HEG também pode ser importante: se a clivagem for tardia na espermatogênese, então a união de extremidades não homólogas (NHEJ) pode predominar (Preston et al. 2006). Aqui, as extremidades do cromossomo são ligadas diretamente sem envolvimento do homólogo (e, como discutido abaixo, com uma alta probabilidade de perda da sequência de reconhecimento de HEG), novamente não é o resultado desejado. Também pode haver diferenças na frequência de reparo de conversão (e), dependendo de onde o alvo está localizado no genoma.

Se o objetivo da intervenção é impor uma carga à população, os modelos sugerem que é melhor visar um gene que afeta a fertilidade do que a viabilidade e que, em geral, é melhor que o alvo seja recessivo (embora em alguns casos a carga máxima é obtida quando a aptidão do heterozigoto é um pouco reduzida, 0 & lt h & lt 0,5). Em Drosophila, acredita-se que haja ∼3000 genes essenciais para a viabilidade e 50-100 necessários para a fertilidade feminina, a maioria dos quais são recessivos (Ashburner et al. 1999, 2005). Também é possível impor uma carga se alguém tiver como objetivo a fertilidade masculina. Em Drosophila, existem dois genes (falhar e sorrateiro) que, quando interrompido, tem o efeito de prejudicar o desenvolvimento do embrião após a fertilização (Ohsako et al. Wilson 2003 et al. 2006 Smith e Wakimoto 2007). Misfire é necessário para a correta descondensação da cabeça do esperma e sorrateiro é necessário para a decomposição adequada da membrana plasmática do esperma. Homólogos desses genes em espécies de pragas e vetores são alvos potenciais. Em princípio, se um gene afetasse a fertilidade masculina (dessa forma) e a fertilidade feminina, o direcionamento para ele poderia ser mais eficiente do que eliminar um gene essencial, mas não está claro se algum desses genes existe em insetos.

Também pode ser possível direcionar genes que tenham consequências para a aptidão em apenas um sexo ou que tenham frequências de homing diferentes nos dois sexos. Ter como alvo apenas o sexo feminino é vantajoso, pois os custos gerais reduzidos permitem que o HEG alcance frequências de equilíbrio mais altas (e se espalhe mais rápido) e, então, imponha uma carga maior à população. Para a maioria dos vetores de doenças humanas, é a fêmea que requer uma refeição de sangue antes da oviposição e transmite o patógeno, outra vantagem por ter como alvo preferencial esse sexo.

Diferentes sequências de controle podem ser usadas para determinar o tempo relativo de homing e a expressão do gene direcionado pelo HEG. Descobrimos que os construtos são mais invasivos se a expressão de HEG for posterior à do gene alvo, de modo que os heterozigotos tenham uma aptidão mais ou menos normal. Em muitos casos, os HEGs não podem se espalhar se as consequências de adaptação da conversão gênica forem experimentadas pelos indivíduos em que ocorre, e a velocidade de disseminação e eventual carga de qualquer HEG que tenha um custo de adaptação significativo for menor se o retorno ocorrer antes da expressão do alvo gene.

Há uma circunstância em que a incapacidade de propagação de um HEG de ação precoce pode ser uma vantagem positiva. O controle bem-sucedido de várias pragas foi obtido pela liberação em massa de machos que foram esterilizados por meio de produtos químicos ou radiação (técnicas de insetos estéreis, SIT). Um desenvolvimento disso é projetar letais dominantes dependentes da condição que são criados em massa na presença de um repressor artificial que inativa este gene (Thomas et al. 2000 Atkinson et al. 2007 Phuc et al. 2007). Se liberados no meio ambiente em número suficiente, eles provocam o colapso da população ao competir com os machos selvagens por parceiros que, então, deixam de produzir descendentes (na ausência do repressor artificial no campo). Se o gene for letal apenas para mulheres (Thomas et al. 2000), esta liberação de insetos com uma técnica letal dominante (RIDL) tem a vantagem adicional de que a progênie masculina dos insetos liberados pode transmitir a letalidade feminina para a próxima geração. Embora, na ausência de novas liberações, o traço desapareça rapidamente, sua persistência temporária no ambiente é uma vantagem do RIDL sobre o SIT. Um HEG que não pudesse se espalhar por uma população poderia ser combinado com um construto letal feminino dependente da condição em uma estratégia "RIDL-com-drive", que seria mais eficaz do que RIDL por si só (Thomas et al. 2000), embora novamente sem persistência de longo prazo.

Os modelos mostram que para regiões amplas de espaço de parâmetro, geralmente envolvendo HEGs com custos de adaptação substanciais no estado de heterozigoto, o destino do construto depende de sua frequência inicial. Embora esses HEGs não possam se espalhar de raros, se fossem liberados em número suficiente, os construtos se espalhariam para a fixação. A capacidade de muitos construtos de HEG de se espalharem de raros, mesmo na presença de custos, os distingue de uma série de elementos impulsores potenciais - por exemplo, medea elementos, Wolbachia e cromossomos subdominantes - que na presença de custos exigem que as frequências excedam um limite antes que ocorra a propagação (Sinkins e Gould 2006). Se uma construção HEG foi desenvolvida e, em seguida, descobriu-se que se espalhou apenas acima de uma frequência limite modesta, ela ainda pode ser útil como um mecanismo de acionamento. Atualmente, não vemos nenhuma vantagem particular para tais construtos e os esforços devem ser direcionados para o desenvolvimento de HEGs que podem se espalhar desde raros.

Para doenças transmitidas por insetos, uma estratégia diferente envolvendo homing é direcionar um gene cuja deficiência não tem custos ou custos relativamente baixos para o vetor, mas que é essencial para uma transmissão parasitária bem-sucedida. Esses HEGs aumentam rapidamente em frequência de fixação na população e considerações como se o HEG atua antes ou depois da expressão do gene alvo têm pouco ou nenhum efeito sobre sua disseminação. Atualmente, há um estudo intensivo dos produtos do gene do mosquito exigidos pelo Plasmodium e outros agentes de doenças (por exemplo., Dinglasan et al. Ecker 2007 et al. 2007) e as medidas dos custos ao vetor de seu nocaute seriam muito interessantes.

Qualquer estratégia que visa impor uma carga de aptidão em uma população inevitavelmente leva a uma forte seleção de resistência. Para HEGs, a maneira mais fácil de ocorrer resistência é o surgimento de um alelo que codifique um gene funcional, mas que não possua o local de reconhecimento de HEG. Isso poderia surgir por meio de mutação pontual ou, mais provavelmente, por meio da quebra de cromossomo causada pelo HEG não sendo reunido por reparo homólogo, mas por NHEJ. Aqui, mostramos que, se um mutante de escape tem aptidão normal, ele se espalhará e o HEG acabará desaparecendo. Se o HEG tem baixos custos de adaptação, então a disseminação do mutante de escape ocorrerá lentamente e benefícios significativos de curto prazo no gerenciamento da população ainda podem ocorrer. Mas para HEGs cujo objetivo principal é impor carga, qualquer mutante de escape que surgir irá destruir rapidamente qualquer benefício.

Portanto, é crítico projetar um HEG em que a perda do local de reconhecimento no gene alvo também implique a perda da função do gene. Alguns HEGs que têm como alvo os genes codificadores de proteínas evoluíram para "ignorar" os locais silenciosos da terceira base na sequência alvo, de modo a ampliar sua própria especificidade (Koufopanou et al. 2002 Kurokawa et al. 2005). Se esse recurso puder ser mantido nos HEGs projetados, o tipo mais óbvio de mutação resistente pode ser anulado. A perda do local de reconhecimento que surge de NHEJ normalmente envolve a deleção de um pequeno trecho de DNA e, portanto, a engenharia de um HEG para reconhecer a codificação de DNA para um local ativo de uma enzima, ou motivo conservado equivalente, deve garantir que sua perda cause não funcionalidade. Outras estratégias que podem ser exploradas incluem direcionar vários locais dentro do mesmo gene simultaneamente e direcionar vários genes simultaneamente. Semelhante à resistência a múltiplos medicamentos, essas medidas podem atrasar substancialmente a evolução da resistência, possivelmente permitindo tempo suficiente para que ocorra a extinção local.

A segunda maneira distinta de usar um HEG é destruir os cromossomos X na meiose masculina e, assim, influenciar a proporção dos sexos (Burt 2003), uma estratégia formalmente modelada aqui pela primeira vez. Este mecanismo não depende de homing per se mas no HEG fornecendo uma vantagem extra-Mendeliana para seu portador do cromossomo Y. Os cromossomos Y condutores de ocorrência natural são conhecidos por dois gêneros medicamente importantes de mosquitos, Aedes e Culex, o que é encorajador para esta estratégia (Newton et al. 1976 Sweeny e Barr 1978 Wood e Newton 1991 Cha et al. 2006). Nada se sabe ao nível molecular de como eles funcionam, mas o impulso citológico está associado a quebras do cromossomo X na meiose masculina (Cazemajor et al. 2000 Windbichler et al. 2007). O grau em que a quebra do cromossomo X favorece o cromossomo Y depende muito da biologia do organismo. Mostramos que, se houver custos para a redução da produção de esperma, ou se ocorrerem acasalamentos múltiplos e a fertilização for uma loteria, a disseminação do Y portador de HEG pode ser retardada. Da mesma forma, se os cromossomos X danificados “pseudofertilizam” óvulos, isto é, se eles competem com outros espermatozoides e criam zigotos que então morrem, a propagação Y contendo HEG pode ser retardada e no limite até totalmente evitada. Não temos informações sobre essas questões para os principais vetores e pragas e estudos sobre a biologia reprodutiva de uma espécie candidata precisariam ser feitos com antecedência para avaliar o resultado provável da adoção dessa abordagem. Por exemplo, se a irradiação de espermatozoides (que causa quebras cromossômicas) leva à morte de zigotos e não de esperma, como ocorre em algumas espécies, isso sugeriria que a pseudofertilização pode ocorrer.

Um mutante de escape no cromossomo X que destrói o local de reconhecimento de HEG e não reduz drasticamente a aptidão aumentaria em frequência e, por fim, devolveria a proporção entre os sexos à igualdade. Também esperaríamos que um mutante supressor em um autossomo se espalhasse de maneira semelhante e destruísse o viés da razão sexual, embora não tenhamos modelado esse cenário. Novamente, como acontece com os HEGs clássicos, a probabilidade de ocorrência de resistência pode ser reduzida projetando o HEG para cortar vários locais no cromossomo X. Isso também é vantajoso para frequências de corte (e) menos de um local múltiplo aumenta o viés da razão sexual de equilíbrio. Um exemplo de como isso pode ser implementado é fornecido por Anopheles gambiae, o vetor mais importante da malária na África Subsaariana. Nesta espécie, as repetições do rDNA são restritas ao cromossomo X, e a endonuclease homing I-PpoI dos fungos viscosos Physarum reconhece e corta uma sequência dentro do gene (Windbichler et al. 2007). Dado que existem & gt100 cópias do gene rDNA (Collins e Paskewitz 1996), a evolução da resistência será um evento muito raro. Observe que se o X-shredding HEG fosse colocado em um autossomo, ele ainda iria interromper o esperma X, mas não se espalhar. Esta estratégia pode ser empregada em uma campanha não invasiva de controle de pragas ou vetores, embora possa ser necessário tornar a expressão de HEG dependente da condição (usando uma estratégia semelhante a RIDL) para permitir uma criação em massa eficiente.

Híbridos entre as duas estratégias principais - homing clássico e polarização da proporção de sexos - também podem ser concebidos. Na principal praga agrícola, a mosca do Mediterrâneo (Ceratitis capitata), XX indivíduos requerem pelo menos uma cópia funcional do gene autossômico tra (transformador) para serem fêmeas fenotípicas (Painel et al. 2005). Se um HEG foi projetado para eliminar o tra gene, levaria o cromossomo Y à extinção para que todos os homens fossem XX tra - tra - e a proporção sexual seria (1 - e) / 2, onde e é a eficiência de homing (modelagem detalhada não mostrada).

Ao longo deste artigo, medimos o efeito dos HEGs projetados para reduzir as densidades populacionais de pragas ou vetores pelo que chamamos de “carga de HEG”, a diminuição na aptidão da população causada por reduções na viabilidade e fertilidade. O efeito dos vieses da proporção de sexo na aptidão da população pode ser medido usando a mesma métrica. É extremamente importante enfatizar que a forma como a carga de HEG se traduz em reduções populacionais reais depende da demografia particular e da dinâmica populacional das espécies envolvidas e também do contexto no qual o manejo de pragas ou vetores é buscado. Por exemplo, se o controle populacional é tentado para uma espécie sazonalmente invasiva ou uma com dinâmica populacional de expansão e queda, então a preocupação mais importante pode ser reduzir a taxa máxima de crescimento populacional. Nessas circunstâncias, a carga de HEG será mapeada diretamente na redução da população e será um meio simples de comparar diferentes estratégias. No entanto, se uma população está sujeita a mortalidade dependente da densidade, então é possível que uma carga substancial de HEG esteja presente, mas apenas modesta ou mesmo nenhuma redução no número de pragas ou vetores seja observada. Nessas circunstâncias, a comparação da carga de HEG fornece uma classificação da eficácia de diferentes estratégias, embora não seja uma métrica quantitativa. Neste artigo, deliberadamente não estendemos os modelos desenvolvidos aqui além da frequência para o domínio da densidade, pois acreditamos que as análises baseadas em sistemas particulares e biologias específicas são os meios mais eficazes de explorar essas questões. Também estamos cientes de que nossos modelos foram puramente determinísticos e assumiram gerações discretas: modelos estocásticos com gerações sobrepostas serão valiosos no fornecimento de orientação sobre o número de insetos portadores de HEG que devem ser liberados em um programa de manejo real.

O objetivo do trabalho aqui descrito é principalmente auxiliar no projeto de HEGs que possam ser usados ​​no manejo de pragas e vetores, especialmente envolvendo insetos. O sucesso de uma estratégia baseada em HEG dependerá (i) da descoberta de locais de reconhecimento adequados ou da engenharia bem-sucedida de HEGs para reconhecer novos locais, (ii) a capacidade dos HEGs de cortar e abrigar insetos, (iii) o design de construções e estratégias de implementação para evitar ou retardar a resistência, e (iv) a aceitação regulatória de uma estratégia de manejo de pragas ou vetores que envolva manipulação genética. Mencionamos acima um local de reconhecimento significativo em um vetor de malária que pode ser cortado por um HEG de ocorrência natural, embora tenha havido um progresso recente substancial na reengenharia de HEGS para reconhecer novos locais (Ashworth et al. Arnould 2006 et al. 2007). Trabalhos preliminares sugerem que HEGs introduzidos artificialmente podem funcionar em células de mosquito (Windbichler et al. 2007). Ainda há muito a ser feito, mas acreditamos que os HEGs oferecem perspectivas interessantes para novas abordagens para o manejo de pragas e vetores e que a consideração da genética de suas populações será importante para orientar este desenvolvimento.


& # 8216Abordagem inteligente & # 8217: Cientistas criam organismos livres de OGM usando engenharia genética

Um novo ano significa novos começos. Mas para os residentes de Florida Keys, um pequeno arquipélago ao largo da costa da Flórida & # 8217, o amanhecer de 2021 parece prenunciar ventos ruins.

Em agosto de 2020, o governo local aprovou um plano para liberar 750 milhões de mosquitos geneticamente modificados (GM). Uma empresa britânica de biotecnologia chamada Oxitec planejou executar este lançamento ao longo de dois anos. No entanto, mais de 236.000 pessoas assinaram uma petição contra essa decisão porque temem os efeitos desconhecidos de longo prazo da liberação de mosquitos GM no meio ambiente.

A investida da Oxitec & # 8217 nos Estados Unidos ocorreu após uma década de testes nas Ilhas Cayman e no Brasil. Em seu site, a empresa exibe publicações de duas décadas.

O governo da Flórida concedeu à Oxitec uma & # 8216a autorização de uso experimental & # 8217. De acordo com isso, a Agência de Proteção Ambiental e os Centros de Controle e Prevenção de Doenças do país avaliaram 25 estudos científicos.

Mas a presença de material GM nesses mosquitos provou ser suficiente para atiçar as apreensões dos residentes de Florida Keys & # 8217.

Mais ao norte, pesquisadores da Universidade de Minnesota desenvolveram uma nova maneira de resolver esse problema. Eles usaram a engenharia genética para criar organismos para liberação que não são geneticamente modificados.

Maciej Maselko era um associado de pós-doutorado na universidade quando fez parte do estudo. “Slow and expensive regulatory approvals for GM insect release” inspired the team’s work, he told The Wire Science. “We looked for a way to get the benefits achieved with GM insect release but without needing to release GM insects.”

He conceptualised the experiment with PhD scholar Siba Das and molecular biology professor Michael Smanski. The results were published in November 2020.

In a typical control intervention, researchers release sterile male mosquitoes into the environment. These compete with wild males to mate with wild females. Mosquitoes mate only once in their lifetime. Since mating with sterile mosquitoes produces no offspring, the local mosquito population begins to fall.

The methods to select these male mosquitoes to subsequently release are either labour intensive or need specialised equipment. The colony that scientists rear is also often three times larger than the number of males released. Third, a mosquito lives typically for 8-10 days. So scientists must select the males to release close to the site of intervention.

Genetic modification eases these issues. In Oxitec’s method, males carry a self-limiting gene. When these males mate with an unmodified female in the wild, the resultant offspring inherits the gene. This gene pushes the insect’s protein production machinery to over-produce a particular protein, which then interferes with normal development of the offspring. Eventually, the young mosquito dies before maturing into an adult. In genetic engineering parlance, this genetic pathway is called a lethal circuit.

Maselko’s method took the lethal circuit a few notches up the difficulty graph. By way of demonstration, the team used two strains of the model organism of genetic modification experiments: the fruit fly (Drosophila melanogaster) Like humans, fruit flies have two sex chromosomes, X and Y. Females have two X chromosomes and males have one X and one Y.

In Maselko’s method, one strain has a lethal circuit on the X chromosome (X L ) while another has a lethal circuit on the Y chromosome (Y L ). These lethal circuits can be switched on and off as required by modifying the composition of the substance in which the flies are nurtured.

In the first step, the team grew the Y L strain in conditions where the lethal circuit is activated. These mate with wild type females (XX). All males (XY L ) die, leading to female offspring, XX, that don’t have the lethal circuit.

In a separate second step, the team grew the X L strain in conditions where the lethal circuit is activated. Males carrying only one copy of the lethal variant (X L Y) survive, while all females (X L X L ) die.

In the third and final step, the surviving females from the first step (XX) are mated with surviving males (X L Y) from the second step. The team again grew the offspring in conditions where the lethal circuit is activated. This produced only males (XY) that don’t have the lethal circuit.

“Our approach enables a more centralised production approach, where only eggs can be shipped,” Maselko said. “This needs modest facilities to rear, sterilise and release the males.”

Max Scott, a professor of entomology at Genetic Pest Management, North Carolina State University, called the approach “a clever scheme for producing only non-GM males”.

He also said “the Y chromosome has few genes. Finding a location where the lethal circuit works is a real challenge.”

Maselko’s team seems to have addressed this challenge. In the three batches that the researchers raised using this method, 2,932 males were generated, and one female.

Omar Akbari, an associate professor of cell and developmental biology at the University of California, San Diego, echoed Scott’s assessment. He said he would like to see this model work in actual mosquitoes.

In response to Akbari’s point that the resulting males are not sterile, Maselko said the team would “either sterilise them with X-rays or use the Wolbachia infection approach.”

Wolbachia are bacterial species that occur naturally in 60% of insect species – but they don’t occur in Aedes aegypti mosquitoes. A 2009 study showed that infecting Aedes mosquitoes with Wolbachia reduces the transmission of dengue, Zika and other viruses. Scientists are trialling the technique in many countries, under the World Mosquito Program. At least one scientific paper discussing trial results is expected later this year.

The Minnesota team screened over a thousand fruit flies looking for lethal circuits. They found none. The mathematical possibility of the lethal circuit surviving their experimental process, according to the team’s estimate, is 0.1%.

The Non-GMO Project is a non-profit organisation that verifies the absence of GM material in seeds, retail goods, drugs, livestock feed and supplements. According to its latest standards, its threshold for certification ranges from 0.25%-1.5%.

However, Scott is unsure if this will help people. “Whether a non-GM male derived from two GM strains would be acceptable [to people] is hard to know.”

Phil Taylor, director of the ARC Centre for Fruit Fly Innovation, Australia, said that “from a regulatory perspective, it does test the boundaries a bit – as most novel technologies do.”

Maselko is now a CSIRO Synthetic Biology Future Fellow at Macquarie University in Australia. He wants to conduct larger trials in mosquitoes before scaling up their solution.

Ameya Paleja is a molecular biologist based in Hyderabad. He blogs at Coffee Table Science.


WHAT IS CONSERVATION GENETICS?

Conservation genetics is a mixture of ecology, molecular biology, population genetics, mathematical modeling and evolutionary systematics (the construction of family relationships). It is both a basic and an applied science. Scientists must first understand the genetic relationships of the organisms under study. Once this basic science is understood by scientists, management techniques must then be applied by wildlife managers to preserve biological diversity in these species.

The organisms under investigation are usually endangered or threatened populations. To develop a management strategy, scientists ask: what has brought these populations to the brink of extinction, and what steps can be taken to reverse this trend? Information about the genetic diversity of the animals under study helps scientists and managers in forming strategies to preserve and protect the diversity of plants and animals worldwide.


Environmental Variance

Genes are not the only players involved in determining population variation. Phenotypes are also influenced by other factors, such as the environment ([link]). A beachgoer is likely to have darker skin than a city dweller, for example, due to regular exposure to the sun, an environmental factor. Some major characteristics, such as sex, are determined by the environment for some species. For example, some turtles and other reptiles have temperature-dependent sex determination (TSD). TSD means that individuals develop into males if their eggs are incubated within a certain temperature range, or females at a different temperature range.


Geographic separation between populations can lead to differences in the phenotypic variation between those populations. Such geographical variation is seen between most populations and can be significant. One type of geographic variation, called a cline , can be seen as populations of a given species vary gradually across an ecological gradient. Species of warm-blooded animals, for example, tend to have larger bodies in the cooler climates closer to the earth’s poles, allowing them to better conserve heat. This is considered a latitudinal cline. Alternatively, flowering plants tend to bloom at different times depending on where they are along the slope of a mountain, known as an altitudinal cline.

If there is gene flow between the populations, the individuals will likely show gradual differences in phenotype along the cline. Restricted gene flow, on the other hand, can lead to abrupt differences, even speciation.


Lethal gene and population genetics - Biology

2. Genetic Drift: The Founder Effect

T he common cocklebur (Xanthium strumarium) has spread across North America with its unique hitchhiking, seed-bearing bur. Different populations of cockleburs throughout its range exhibit morphological variations that some botanists have classified as different varieties. There is some disagreement among botanists as to exactly how many varieties of common cocklebur exist, and precisely where is their native (indigenous) habitat. There are several named varieties listed in botanical literature, including var. canadense and var. glabratum however, some authorities believe Xanthium strumarium is one cosmopolitan species with many highly variable populations around the world. Since cockleburs can colonize new areas quite easily (particularly disturbed areas), they are good examples of the "founder effect." The founder effect is genetic drift that occurs when a small number of individuals, representing a fraction of the gene pool, establish (found) a new colony and only certain alleles (genes) of the original population are passed on to the next generation. The founding colony does not have the genetic variability of the main population, and the frequency of certain traits may increase greatly by genetic drift compared with the much larger ancestral population.

Left: Cocklebur (Xanthium strumarium)
bearing prickly, hitchhiking burs. Right: An
assortment of seed-bearing cockleburs. Gostar
Velcro fasteners, the cockleburs attach to
the fur of animals and articles of clothing.

A classic example of the founder effect is the "Dunkers," a politically incorrect name for a German Baptist religious sect that settled in Franklin County, Pennsylvania between 1719 and 1729. Since the original families (who did not marry outside their religious sect) settled in Pennsylvania, there has been a dramatic change in some of their gene frequencies. For example, the frequency of type A blood in the "Dunkers" is now 60 percent, compared to 42 percent for the United States and 45 percent for West Germany. "Dunkers" also have fewer individuals with certain recessive traits, such as hitchhiker's thumb and attached ear lobes, compared with the U.S. population as a whole. The founder effect also explains the high frequency of dwarfism and polydactylism (extra fingers) in the Amish of Lancaster Pennsylvania, a colony begun by a few individuals (at least one of whom carried these traits). There is some evidence that the first humans to reach North America (across the Bering Straits land bridge) brought with them gene frequencies not representative of the Asiatic population they left. The unusual variation in bark, foliage and growth characteristics in isolated groves of cypress (Cupressus species) throughout coastal and mountainous regions of California may also be due (in part) to the founder effect however, some traits, such as glandular (resinous) foliage, are more drought resistant and probably evolved by natural selection in the hot, dry interior regions of the state.

3. Genetic Drift: Population Bottlenecks

G enetic drift can also result in the loss of genes from a population. For example, the B allele was apparently not passed on to subsequent generations of Blackfoot people, because present populations are deficient in genotypes that contain the B allele (BB, BO and AB). When populations become greatly reduced in size, some genes may not be passed on to the next generation. This phenomenon is referred to as a "genetic bottleneck." As a result, genetic variability may be severely reduced in succeeding generations.

E xamples of "genetic bottlenecks" include the elephant seal (mercilessly hunted to near extinction in Baja California) and the endemic Torrey pine ( Pinus torreyana ) of San Diego County. The elephant seal was hunted almost to extinction in the 1800s, and by the end of the 1890s only about 20 survived. Because elephant seals breed harem-style, with a single male mating with a harem of females, one male may have fathered all the offspring at the extreme bottleneck point. The population today has expanded to about 30,000, but biochemical analysis shows that all of the elephant seals are almost genetically identical. The Torrey pine has also reached a genetic bottleneck in the small grove of trees that survives to this day at Torrey Pines State Park. Protein analysis of the pines shows practically no variability between individual trees. This lack of variability could seriously threaten their survival if the climate changes significantly. The population may not contain the genetic variability (gene pool) to adapt to a significant environmental change.

Simplified diagram of a genetic bottleneck. If the population of heterogeneous red and blue genetic members is reduced to a small number of individuals, the gene pool is greatly reduced. In this diagram, only a few red individuals survive the bottleneck. The few surviving red members pass their genes on to the new generation however, this new homogeneous red population has a drastically reduced genotypic and phenotypic variability because they are all descendents of the few red individuals that survived the bottleneck. The northern elephant seal and Torrey pine have passed through genetic bottlenecks in the recent past, resulting in an almost total loss of genetic variability. As a result, the ability of these populations to adapt to changing environments may be very limited. This diagram could also be explained with an original population composed of red and blue alleles. When the population reached a very low level or bottleneck, only the red allele was passed on and the blue allele was lost. This simple analogy might help to explain how the B allele was lost from the indigenous Blackfoot people of North America.

4. Demonstration Of Genetic Drift

For a simplified demonstration of genetic drift, place 24 red beads and 24 white beads into an empty container. Make 24 random matings from this container of 24 red beads and 24 white beads. Assume that red (R) is dominant over white (r). Shake the container several times to make sure the beads are thoroughly mixed. Each random mating consists of reaching into the container and drawing out two beads. Each pair of beads essentially represents a pair of red or white genes carried by a pair of sex cells (egg and sperm). In order that you don't discriminate on the basis of color, make each draw without looking at the beads. When you draw two beads record your result in Table 3 below. If you get two red beads, place a tabulation mark under RR. If you get a red and a white bead, place a tabulation mark under Rr. If you get two white beads, place a tabulation mark under rr. Make a total of 24 draws, always replacing the beads back into the original container before the next draw. [Note: This exercise works best if the total number of beads in your container is exactly twice the number of draws (e.g. 48 beads for 24 draws, 60 beads for 30 draws, or 80 beads for 40 draws). Also use an even number of beads, such as 48, 60 or 80. The Biology 100 Laboratory Manual says to use 50 beads, but use 48 instead (24 red and 24 white).

Although this is a population problem involving a cross between the males and females of an entire population, the mathematical result comes out the same as a monohybrid cross involving one pair of heterozygous genes from each parent (Rr x Rr). In this type of cross we would expect to have the following genotype percentages in the offspring: 25% RR, 50% Rr and 25% rr. Since red (R) is dominant over white (r), 75% of the population will be red and 25% will be white. This cross is shown in the following Table 2:


Real-World Applications of Molecular Genetics

Recent advances in molecular biology allow us to develop and apply the tools and concepts of molecular genetics to the conservation of biological resources. Working with our partners, we design and implement studies that provide genetic and genomic information for a broad range of applications, as detailed below.

Real-World Applications

Recent advances in molecular biology allow us to develop and apply the tools and concepts of molecular genetics to the conservation of biological resources. Working with our partners, we design and implement studies that provide genetic and genomic information for a broad range of applications, as detailed below.

Population structure – We can quantify genetic differences between populations and, consequently, the level of gene flow and movement among populations throughout a species' range.

Population health and history – Current genetic diversity and historical population bottlenecks can be assessed through the analysis of genetic and genomic data.

Assess taxonomic uncertainty – Information on genetic distinctiveness, along with other lines of evidence such as morphological and behavioral characteristics, can be used to identify and potentially redefine the existing taxonomic classification of a given species or subspecies. Such delineations are highly relevant for species status determinations (endangered, threatened, or at-risk).

Assess adaptive potential – With advancing genomic technology, it is now possible to locate and assess genes that may contribute to a species' ability to respond to environmental change (for example, climate change).

Landscape genetics – Genetic data can be used in conjunction with environmental data (for example, habitat, elevation, roads) to identify landscape features that function as barriers to movement for species.

Assess family relations/mating systems – Mating systems and parentage can be inferred through “genetic fingerprinting” of family members.

Population modeling – Models can make use of genetic data to predict potential impacts of different management scenarios (for example, fertility control) on the genetic diversity of managed populations.

Estimate population size and survival rates – DNA from non-invasively sampled individuals (using feathers, feces, or hair, for example) can be used as a molecular tag and analyzed with traditional mark-recapture techniques to estimate population size and survival rates.

Species identification – Molecular genetic tests can be used to identify the species and sometimes even the population of origin from a sample (feather, tissue, feces, hair) of unknown origin.

Tracking migratory animals – Genetic differences between breeding populations may be used as a basis for assigning migratory animals (like birds, fish, and sea turtles) to a particular breeding population, even if animals are captured on migration or at another location far away from their breeding area.

Gender identification – The gender of an individual can be determined by isolating and analyzing molecular markers on the sex chromosomes sometimes this is necessary when morphological or behavioral characteristics between males and females are indistinguishable.

Species detection – The presence of difficult-to-observe species can be inferred in an area by screening DNA in environmental samples (eDNA), like water and soil, for species-specific genetic markers.

Dietary analysis – Feces or stomach contents can be screened to figure out what a particular animal has been eating.


Assista o vídeo: A importância da Genética na Ciência e na Sociedade (Janeiro 2022).