Genética

Citogenética: da biotecnologia a genética médica

A síndrome de Down é a mais conhecida das síndromes cromossômicas. Inclusive, muitos sabem que se trata da trissomia do cromossomo 21, embora não seja sempre assim, como veremos adiante. Por apresentar traços bastante característicos, não é difícil identificar o portador de síndrome de Down. O que muitos não sabem, é que são através das técnicas citogenéticas que as síndromes cromossômicas são identificadas, além de que, existem muitas outras alterações cromossômicas.

Síndrome, de modo simples, é um conjunto de sinais ou sintomas médicos que estão correlacionados e podem estar associados com uma doença ou distúrbio específico. Alterações, ou síndromes cromossômicas estão relacionadas com alterações no número cromossômico ou na estrutura do próprio cromossomo.

citogenética humana estuda os cromossomos humanos no que se refere ao seu número, estrutura e como são herdados, correlacionando as formas de alterações cromossômicas com o aspecto clínico do paciente. A citogenética nasceu no início do século XX, é uma ciência que engloba conhecimentos de biologia celular (citologia) e genética, sendo responsável por estudar os cromossomos e os processos os quais estão envolvidos. Esta é uma área muito relacionada à biotecnologia nas indústrias farmacêuticas ou de alimentos, e até na agricultura, produção animal e aquarismo (melhoramento genético). As técnicas citogenéticas também podem ser utilizadas em diversas outras áreas, como: identificação de novas espécies, estudos ecológicos populacionais, evolutivos ou relacionados à mutagênese e toxicologia, entre outros.

História da citogenética

A genética e a citologia são ramos centenários das ciências biológicas, e é impossível falar da história da citogenética sem entrar na história dessas duas entidades científicas. Uma vez que, como dito anteriormente, a citogenética surgiu de uma sobreposição dessas duas áreas. Muitos cientistas, de várias áreas distintas (naturalistas, embriologistas, físicos, bioquímicos etc), contribuíram com o nascimento e ascensão da citogenética.

Foi num mosteiro na cidade de Brno, atual República Tcheca, onde foram conduzidas as primeiras experiências que investigavam a respeito da hereditariedade. Essa história, da segunda metade do século XIX, e seu personagem todos conhecemos. O monge austríaco Gregor Johann Mendel, é um dos personagens mais conhecidos da ciência, da mesma forma seus experimentos envolvendo ervilhas. O monge cruzou ervilhas com fenótipos diferentes, avaliou e comparou estatisticamente os resultados, com base nessas observações “nasceram” a 1ª e 2ª leis de Mendel.

Em 1865, antes que Mendel publicasse a respeito de seus trabalhos sobre a transmissão dos caracteres, pesquisadores de biologia celular – citologistas – já haviam concluído que toda célula tinha núcleo, era capaz de sintetizar núcleos novos por divisão e que no decorrer dessa divisão estruturas alongadas eram sintetizadas pela célula. Posteriormente, o nome “cromossomos” foi atribuído a tais “estruturas alongadas”. Um ano após o artigo de Mendel, Ernst Haeckel, em 1866, propôs ser o núcleo o agente principal da herança biológica. 

Posteriormente, passando por grandes nomes como Alexander Flemming, Eduardo Balbiani e Wilhelm Roux, vários outros cientistas contribuíram para a elucidação das questões relacionadas aos elementos e mecanismos pertinentes à hereditariedade. Entretanto, nos primeiros anos do século XX, somente, propôs-se uma teoria sobre a herança cromossômica corroborada pelas leis mendelianas de herança. Tudo aconteceu após os trabalhos do monge austríaco serem redescobertos por alguns pesquisadores – Carl Correns, Hugo de Vries e Erich Von Tschermak – no início dos anos de 1900.

Não muito depois, vários estudiosos da área de citologia contribuíram com seus experimentos, vale destacar os trabalhos de Walter Sutton, em 1903, e Theodor Boveri, em 1904. A partir dessa época, citologia e genética passaram a sobrepor seus conhecimentos numa área comum, posteriormente denominada citogenética. Não demorou para se descobrir que os seres humanos têm 46 cromossomos.

Como o material genético e os cromossomos se relacionam

Quando compactado, o material genético é chamado cromossomo e quando descompactado é denominado cromatina. Trata-se da mesma coisa, contudo, em formatos diferentes dependendo do momento em que a célula se encontra. O material genético é encontrado na forma de cromossomo somente durante os eventos relacionados a divisão celular (mitose, meiose e suas respectivas sub etapas).  

Portanto, cromossomo é o material genético num formato especializado em abrigar e distribuir adequadamente as características hereditárias em segurança para as novas células. Quanto a sua composição, cromossomo e cromatina são compostos por DNA associado a proteínas (ácidas e básicas) e diversos tipos de RNA estão envolvidos nos processos de compactação e descompactação do material genético.

O clássico cromossomo é representado em forma de “X” (formato do cromossomo na etapa de metáfase) e dividido em: centrômero, braços curtos, braços longos e cromátides irmãs. Segundo observa-se na Figura 1 a seguir:

Figura 1: Cromossomo metafásico

Tipos cromossômicos e cariótipo

De acordo com sua morfologia (Figura 2), os cromossomos podem ser agrupados em categorias, o que facilita seu estudo, para montarmos o que chamamos de cariótipo. Podem ser divididos em: metacêntricos, submetacêntricos, telocêntricos, acrocêntricos e subtelocêntricos. Os metacêntricos (M) têm os braços curtos e braços longos do mesmo tamanho, enquanto cromossomos submetacêntricos tem os braços curtos com metade do tamanho dos braços longos, aproximadamente. Os braços curtos dos cromossomos telocêntricos medem cerca de 1/3 do tamanho dos seus braços longos. Os cromossomos acrocêntricos não tem braços curtos ou são tão pequenos que apenas com sondas específicas podem ser detectados, nesse caso são chamados sub telocêntricos.

Figura 2

Na Figura 3 abaixo, observa-se a representação de cada um dos cromossomos humanos com bandas G e ao lado um cariótipo humano com bandas G. 

Figura 3: Na técnica de bandeamento G, os cromossomos são desproteinizados por ação da enzima tripsina e, posteriormente, corados com Giemsa (motivo do nome bandas G). Após esse tratamento, estes apresentam um padão de bandas claras e escuras, em que as faixas escuras correspondem ao DNA rico em bases AT e poucos genes ativos; as bandas G claras possuem DNA rico em bases nitrogenadas GC e têm muitos genes ativos. Essa técnica é utilizada na detecção de aneuploidias, deleções, inversões e duplicações em humanos.

Mutações Cromossômicas

Mutações são encontradas regularmente nos organismos vivos e são importantes em vários aspectos biológicos, inclusive em humanos. Diferenciamos mutações cromossômicas de gênicas, pois as primeiras envolvem vários genes. Enquanto mutações gênicas ocorrem dentro de um gene não sendo possível detectá-las através do microscópio.

A adrenoleucodistrofia é um exemplo de enfermidade causada por uma mutação gênica; trata-se de uma doença degenerativa raríssima e incurável (alguém aí já assistiu ao filme “O óleo de Lorenzo”?). As mutações cromossômicas, em contraste, podem ser detectadas por microscopia, utilizando-se técnicas de citogenética clássica (bandeamentos, por exemplo) ou citogenética molecular (por exemplo, FISH – Fluorescense in situ Hibridization). Após a análise em microscópio dos cromossomos metafásicos, um cariótipo é montado para posterior avaliação.

Muitas mutações cromossômicas causam anomalias na célula e podem resultar em doenças genéticas; podendo provocar alterações no número, posição de genes ou, até mesmo, uma quebra de um pedaço do cromossomo. Podemos dividir as mutações cromossômicas em alterações no número de cromossomos e alterações na estrutura cromossômica

As mutações resultantes de alterações do número cromossômico podem ser divididas em duas categorias: 

  1. Euploidia Aberrante: A mudança no número de cromossomos pode envolver a modificação de todo um conjunto cromossômico. Esta é incompatível com a vida em vários organismos, geralmente, provocando aborto espontâneo. Mas é muito comum em vegetais sendo interessante para agricultura em alguns casos. 
  2. Aneuploidias: Mudanças em partes de conjuntos cromossômicos, onde tem-se cromossomos a mais ou menos, podendo se tratar inclusive de pedaços de cromossomos. 

Aneuploidias, em humanos, podem ser identificadas estudando-se o cariótipo. Pode-se, por ex, diagnosticar aneuploidias em cromossomos autossômicos, como as trissomias dos cromossomos 21 (Figura 4), 18 e 13; respectivamente, síndromes de Down (47, XX+ 21 ou 47, XY+21), de Edwards (47, XX+ 18 ou 47, XY+18) e de Patau (47, XX+ 13 ou 47, XY+13). Assim como trissomias em cromossomos sexuais, como a síndrome de Klinifelter que apresenta 3 cromossomos sexuais (47, XXY). Além de aneuploidias caracterizadas por ausência total ou parcial de cromossomos, como a síndrome de Turner, onde há ausência total ou parcial de um dos cromossomos “X” da mulher (45, X_). Esses são apenas alguns exemplos de aneuploidias em humanos, mas existem muitos outros.

Figura 4

As alterações da estrutura cromossômica envolvem várias classes de eventos relevantes, os quais podemos citar: deleções, translocações, inversões e duplicações. Aqui, dar-se-á ênfase aos dois primeiros tipos.

Tem-se uma deleção quando um pedaço do cromossomo é perdido. Consequentemente, essa delação pode resultar num déficit de genes importantes que estavam no segmento perdido. Ou ainda, se a deleção aconteceu dentro de um gene, ela poderá inativá-lo ou torná-lo defeituoso, por exemplo. Em humanos, os clínicos frequentemente encontram deleções. Estas, normalmente, envolvem regiões muito pequenas, mas têm efeitos relevantes adversos e convertem-se em síndromes únicas de anomalias fenotípicas. A síndrome de cri du chat (ou do chiado de gato), por exemplo, é causada por uma deleção no braço curto do cromossomo 5. 

Quanto às translocações, existem muitos tipos, mas um tipo específico, chamada translocação robertsoniana, chama atenção por estar associada a cerca de 4% dos casos de síndrome de Down, em que o portador tem 46 cromossomos. Um dos quais possui uma translocação robertsoniana envolvendo o cromossomo 21 e um dos outros acrocêntricos (cromossomos 14 ou 22, normalmente). O cromossomo translocado substitui um dos cromossomos acrocêntricos “saudáveis”, sendo o cariótipo desse indivíduo representado por “46, XX ou XY, rob(14;21), + 21”. 

Visto que, translocações podem resultar em progênie portadora de material extra de parte do genoma, é hipoteticamente plausível a ocorrência de uma translocação que envolve o cromossomo 21 resultando numa descendência com material extra desse cromossomo. Um portador de uma translocação robertsoniana que envolve os cromossomos 14 e 21 porta 45 cromossomos, somente, sendo que um cromossomo 14 e um 21 são substituídos pelo cromossomo translocado. Logo, essa pessoa pode ter filhos com síndrome de Down, dentre outras possibilidades.

Referências

BROWN, T. A. Genética: um enfoque molecular. 3ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999.336p.

Cariotipo Normal. Disponível em: <http://www.pcs.uem.br/drgenetica/cariotipo/resultados/cariotipo-normal> Acesso em: 17 Mar. 2021.

GRIFFITHS, A. J. F.; MILLER, J. H.; SUZUKI, D. T.; LEWONTIN, R. C.;

GELBART, W. M. Introdução a Genética. 7ª ed. New York: W.H. Freeman and
Company, 2002. 860 p.

GUERRA, M. Introdução a Citogenética Geral. Rio de janeiro: Guanabara Koogan, 1989.142p

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