Interação Gênica

Embora as leis de Mendel da segregação e da transmissão independente tivessem sido confirmadas imediatamente após a sua redescoberta em 1900, não estava provado que estas leis tivessem aplicação universal na herança de todos os organismos. Na verdade, a herança mendeliana parecia ser a exceção e, no geral, a herança parecia ser do tipo mesclado, em que as heranças de ambos os parentais se misturavam nos descendentes. Inclusive, as proporções mendelianas típicas, tais como 3 : 1 ou 9 : 3 : 3 : 1, não se apresentavam em todos os cruzamentos.

Contudo, logo se percebeu que a maior parte das aparentes exceções podiam ser explicadas admitindo-se que muitos dos caracteres estavam sendo determinados por dois ou mais pares de genes, que para se expressarem interagiam entre si. Dependendo da forma de interação, as proporções fenotípicas se modificam de diferentes maneiras, porém as leis fundamentais da transmissão hereditária continuam sendo as mesmas.

Nos primeiros 25 anos (1900-1925) do primeiro século da existência da genética, muito esforço foi dedicado na análise destas formas de herança aparentemente complexas. À medida que os novos casos foram sendo interpretados, ficou evidente que, excetuando-se algumas características herdadas pelo citoplasma, era através da transmissão de genes cromossômicos que se explicava toda a herança biológica.

A crista em galinhas

Em 1905 Bateson e Punnett descobriram um caso clássico de dois genes que interagem para determinar o mesmo caráter, a forma da crista de galinhas. Cada variedade de galinha possui um tipo de crista característico: na linhagem Wyandotte aparece a crista "rosa"; na variedade Brahma ocorre a crista "ervilha"; as Leghorn apresentam crista "simples". Cada um destes tipos pode ser obtido puro.

Os cruzamentos entre variedades de crista rosa com crista simples, demonstram que o caráter rosa é dominante sobre crista simples e que há uma segregação de ¾ rosa para ¼ simples em F₂. Dos cruzamentos entre aves de crista ervilha com crista simples, ervilha é dominante sobre simples e em F₂aparece a proporção 3 : 1.

Contudo, um novo e interessante resultado foi obtido ao serem cruzadas aves de crista rosa com aves de crista ervilha, já que em F₁ aparece uma nova forma de crista, conhecida como "noz". Ao se cruzarem as aves F₁ de crista noz entre si, o resultado foi mais notável, pois na geração F₂ apresentaram-se cristas em forma de noz, rosa, ervilha e também simples.Estes tipos se apresentaram na proporção de 9/16 noz : 3/16 rosa : 3/16 ervilha : 1/16 simples.

Esta é a proporção esperada para uma geração F₂ resultante de parentais que diferiam por dois pares de genes. A classe dos genes dominantes duplos em F₂ era de crista noz (9/16), enquanto a proporção de indivíduos com crista simples (1/16) indica que estes indivíduos possuem os dois genes recessivos; esta conclusão era apoiada pelo fato de os F₂ de crista simples, quando cruzados entre si, só produzirem descendentes de crista simples nas geração subsequentes.

A crista noz depende da presença de dois genes dominantes que interagem, R e E, apresentando genótipo R_E_. Um só destes genes (R), produz a crista rosa, com genótipo R_ee; o outro gene, sozinho (E ), determina crista ervilha, com genótipo rrE_. A combinação dos alelos recessivos produz a crista simples, com genótipo rree.

O tipo de herança dos genes determinantes das cristas ervilha e rosa não difere do esquema mendeliano usual. As características que distinguem a herança diíbrida normal com este caso e com outros similares são:

1) esta geração F₁ não se parece com nenhum dos parentais.    

2) esta geração F₂ apresenta um caráter aparentemente novo (crista "noz"). Um destes novos caracteres (crista "noz") resulta, evidentemente, da interação entre dois genes dominantes herdados independentemente, e o outro caráter (crista "simples") resulta da interação entre dois alelos recessivos.

Estas peculiaridades não são devidas a um novo modo de herança, mas simplesmente à circunstância de os dois genes que intervêm se expressarem na mesma parte do organismo, neste caso na crista.

Genes complementares para a cor do milho

Existem numerosas variedades de milho, algumas das quais possuem sementes incolores, outras têm sementes de cor púrpura (devido à presença de uma substância púrpura, chamada antocianina, na camada de aleurona das sementes) e há ainda sementes de outras cores. Em algumas variedades as folhas são verdes, assim como os caules e as espigas, devido à presença do pigmento comum nas plantas, a clorofila. Outras apresentam nestes órgãos, ainda, o pigmento antocianina, de cor parda ou púrpura.

A herança da cor nos cruzamentos entre linhagens de milho parecia extremamente complicada, até que a investigação de R. Emerson da Universidade de Cornell e outros geneticistas, mostraram ser relativamente simples. O ponto crucial de todo o assunto foi demonstrar que para desenvolver a antocianina púrpura, contribuem vários genes alelos dominantes. As plantas homozigotas para esses alelos recessivos não produzem antocianina e terão as sementes incolores.

A geração F₂ do cruzamento entre híbridos F₁ estará formada por sementes púrpuras e incolores na proporção de 9 : 7. A origem dessa proporção sugere a interação de 2 pares de genes alelos independentes. Cada parental deste cruzamento apresentava uma variedade de linhagem pura diferente, de plantas de flores brancas.

A interpretação foi de que, em cada variedade branca, a não produção do pigmento devia-se a um gene recessivo diferente (c, p) e que seria necessária a presença de ambos os dominantes (C, P) para que se completasse a cadeia de processos bioquímicos para a formação da substância colorida:

P		sementes brancas puras	x	sementes brancas puras
genótipos		CC pp		cc PP
gametas		C p		c P
F1		Cc Pp (100% púrpura)
cruzamento		púrpura F1 (Cc Pp)	x	púrpura F1 (Cc Pp)

Quadrado de Punnett - previsão dos resultados de F₂

Conforme a previsão da 2^a lei de Mendel, para dois pares de genes independentes entre si, o resultado fenotípico deveria ser 9 : 3 : 3 : 1 e "foi", porém, com a alteração provocada pela interação entre os dois genes complementares.

Aplicando esta interpretação à cor das sementes, podemos supor que todas as sementes que herdaram os alelos dominantes dos dois genes que influenciam na cor, tanto em combinação homozigótica como heterozigótica serão púrpuras (9/16). Todas as sementes que carecerem de pelo menos um alelo dominante do par de genes para a cor, serão incolores ou brancas (7/16).

Atavismo ou reversão

A herança da cor das sementes no milho e situações semelhantes observadas em outros organismos sugerem uma explicação do numerosos exemplos que existem entre os animais domésticos e as plantas cultivadas em que os cruzamentos entre variedades de linhagem pura produzem descendência parecida com um antepassado remoto e não parecida com seus parentais.

Os criadores de animais e os cultivadores de plantas observaram estes peculiares "saltos para trás", "atavismos" ou "reversões", porém na falta de uma explicação satisfatória consideravam as reversões como a consequência de uma força misteriosa que determinava a conservação e consequente reaparição de algum caráter remoto ancestral.

A reaparição de um velho caráter pode ser devido à união de dois ou mais genes necessários para a sua produção e que haviam se separado na história da espécie. Assim, há variedades de milho, cuja cor púrpura das sementes depende da interação de três pares de genes (A_ C_ R_) e que apresentam sementes incolores quando um desses genes é "perdido". É fácil imaginar que uma variedade incolor se originará ao ocorrer, no tipo púrpura, uma mutação C para c e que outra aparecerá ao mutar R a r. Assim, dois genes necessários para a cor púrpura acabaram separados em duas linhagens diferentes. Ao serem cruzadas essas linhagens, os dois genes poderão se reunir e reaparecerá a cor primitiva ou de "reversão".

Epistasia

Devido à dominância, a presença de um alelo recessivo no heterozigoto pode ficar mascarada ou escondida. Há situações onde dois genes diferentes e pertencentes a cromossomos não homólogos, os quais determinam ambos a mesma parte ou caráter de um organismo, em que a expressão de um esconde ou inibe a expressão do outro. Um gene que mascara ou impede desta maneira a expressão de outro é chamado epistático, enquanto o gene que está inibido é chamado de hipostático.

Experimentalmente foi demonstrado que em galinhas das linhagens Leghorn e Wyandotte existe um gene que determina cor e outro que inibe a sua expressão. As aves sem cor são aves geneticamente com cor, porém não podem desenvolvê-la.

Representamos este gene inibidor por I e o gene para a cor por C; As Leghorn brancas puras são II CC e as Wyandotte brancas puras são ii cc. Uma prova desta hipótese, cruzando-se Leghorn brancas com Wyandotte brancas, produz um resultado curioso. Os galos da geração F₁ desse cruzamento são brancos com pequenas manchas escuras. Quando estes F₁ híbridos se cruzam entre si, contudo, na geração F₂ aparecem galos brancos e coloridos na proporção de 13/16 brancos (ou brancos com pequenas manchas escuras) para 3/16 coloridos. Os genes dominantes para cor são hipostáticos em relação ao I epistático.

Analisemos os cruzamentos:

P		Leghorn branca pura	x	Wyandotte branca pura
genótipos		II CC		ii cc
gametas		I C		i c
F1		Ii Cc (100% brancas)
cruzamento		branca F1 (Ii Cc)	x	branca F1 (Ii Cc)

Quadrado de Punnett - previsão dos resultados de F₂

Conforme a previsão da 2^a lei de Mendel, para dois pares de genes independentes entre si, o resultado previsto para as classes fenotípicas seria 9 : 3 : 3 : 1 e "foi", porém, com a alteração provocada pela interação entre os dois genes epistáticos e hipostáticos.

Aplicando esta interpretação à cor das penas, podemos supor que todas as aves que herdaram o gene I serão brancas, tanto em combinação homozigótica como heterozigótica (13/16), devido ao efeito inibidor do gene I. Todas as aves que apresentarem pelo menos um alelo dominante para a cor, C, serão coloridas (3/16), desde que o gene epistático não esteja presente.

As complicações devidas à epistasia são comparáveis às produzidas pela dominância, isto é, dois ou mais genótipos não pode ser distinguidos exteriormente. Nos casos de epistasia, contudo, intervêm sempre dois ou mais genes, que afetam a mesma parte do organismo. Isso também ocorre nos casos de interação como a forma da crista em galinhas, porém neste caso ambos os genes se expressam, produzindo uma forma nova ou diferente do órgão. Na epistasia, pelo contrário, a competição entre dois genes para manifestar-se num mesmo órgão resulta do triunfo de um e da supressão do outro, de maneira que os caracteres originais reaparecem, porém em proporções modificadas.

Epistasia recessiva - cor dos pelos em roedores

Um caso mais complexo de reversão gênica e interação foi estudado em experimentos de criação de variedades de ratos domésticos comuns, onde foi encontrado um certo número de genes que interagem para produzir um caráter que parece simples. A cor ancestral da pelagem desta espécie é a cor dos ratos selvagens, isto é, aguti (cinza-amarronzado). Essa cor se deve à presença de dois pigmentos na pele. Cada pelo é, em sua maior parte, negro com uma estreita banda amarela perto da extremidade. A parte inferior do animal pode ser muito mais clara, sendo os pelos de cor amarela, com algo de negro ou cinzento na base. Essa coloração protetora, que se conhece por aguti, é característica de muitos roedores selvagens, tais como o rato, o coelho das Índias e outros.

Com a domesticação foi conservado um certo de número de variações dessa coloração da pelagem aguti, originando-se muitas variedades de ratos de cores diversas. A variedade mais comum e mais familiar é a albina, na qual a pelagem é branca e os olhos são rosados devido à ausência de pigmento na íris. Os albinos sempre são de linhagem pura e se comportam como recessivos simples em relação a qualquer cor. Com o desaparecimento do amarelo que se mistura no aguti, originou-se a coloração negra uniforme. O negro é recessivo em relação ao tipo selvagem ou aguti.

Quando os ratos negros são cruzados com os albinos, a descendência se apresenta 100% aguti. Quando esses aguti da geração F₁ cruzam entre si, sua descendência aparece na proporção de 9/16 aguti : 3/16 negros : 4/16 albinos. Essa variação em relação ao esperado 9 : 3 : 3 : 1, indica uma interação, com epistasia recessiva, entre os pares de genes: o gene C é responsável pela produção de pigmento negro; seu alelo recessivo c, quando em homozigose (cc), funciona epistaticamente inibindo a produção de pigmento, portanto, apresenta-se albino. O gene A produz pigmento amarelo, e o seu alelo a, não. Assim, o genótipo C_ A_ fabrica, por interação dos dois genes, tanto pigmento preto quanto amarelo, tendo a coloração pardo-acinzentada ou aguti.

Observe o cruzamento de dois ratos aguti diíbridos:

P		aguti	x	aguti
genótipos		Cc Aa		Cc Aa
F1		C_ A_	:	C_ aa	:	cc C_	:	cc aa
		9	:	3	:	3	:	1
		aguti		albino		negro		albino

Correspondência entre os genótipos por interação de dois pares de genes:

Pleiotropia

Muitos caracteres não estão determinados somente por um par de genes, mas pela cooperação ou interação de vários ou muitos pares de genes. A investigação detalhada mostra grande probabilidade de esta forma de interação ocorrer na herança de numerosos caracteres (fenótipos). Contudo, observa-se que o inverso também é verdadeiro, já que muitos e possivelmente todos os genes influem sobre vários ou muitos caracteres.

O próprio Mendel observou que um dos genes por ele estudado afetava simultaneamente a cor das flores (púrpura ou branca), a cor da casca das sementes (cinza ou branca) e a presença ou ausência de manchas vermelhas nas axilas das folhas.

Semelhantemente, ocorre na herança do comprimento das asas em cruzamentos entre moscas de asas normais e vestigiais (muito reduzidas). O alelo para asa normal, dominante sobre o "gene vestigial", produz asas longas e o alelo recessivo, vestigiais. Este gene é, às vezes, denominado "gene alar". Na verdade, a modificação que primeiro chama a atenção, quando se substitui o alelo dominante pelo recessivo, é a redução do tamanho das asas. Contudo, ao se comparar cuidadosamente as moscas normais e vestigiais, muitas diferenças são evidenciadas; além das asas curtas, as moscas vestigiais também apresentam modificações nos balancins (estruturas de equilíbrio), um par de cerdas da parte dorsal da mosca é vertical ao invés de horizontal, varia a forma das espermatecas, o número de ovos nos ovários é menor que o normal, a duração da vida e a fecundidade são menores.

Assim, quando um alelo ou alelos produzem modificações em dois ou fenótipos (caracteres) que estejam relacionados, o gene se denomina pleiotrópico ou se diz que tem efeitos múltiplos.

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