8.13.2006

MUTAÇÕES CROMOSSÔMICAS

1. Introdução

A mutação cromossômica é o processo de mudança que resulta em partes rearranjadas do cromossomo, números mais de anormais de cromossomos individuais, ou números anormais de conjuntos cromossômicos. Como na mutação gênica, o termo mutação cromossômica é aplicado tanto ao processo quanto ao produto, de modo que os novos arranjos genômicos podem ser chamados de mutações cromossômicas. Às vezes uma mutação cromossômica pode ser detectada por exame ao microscópio. Às vezes por análise genética, e às vezes por ambos. Em contraste, as mutações gênicas nunca são detectáveis microscopicamente no cromossomo. Um cromossomo portador de uma mutação gênica apresenta-se microscopicamente idêntico ao que tem o alelo selvagem.
Muitas mutações cromossômicas levam a anomalias de funcionamento da célula e do organismo. Existem dois motivos básicos para isto. Primeiro, as mutações cromossômicas podem resultar em número ou posição anormal de genes. Segundo, se a mutação cromossômica envolver quebra de cromossomos, o que em geral ocorre, a quebra pode ocorrer no meio de um gene, perturbando assim o seu funcionamento.
As mutações cromossômicas são importantes em vários níveis diferentes da biologia. Primeiro, em pesquisas, elas fornecem meios de se obter especiais de genes, perfeitamente adequados para responder determinadas dúvidas biológicas. Segundo, as mutações cromossômicas são importantes em nível aplicado, especialmente na medicina, e na criação de animais e plantas. Finalmente. As mutações cromossômicas têm sido instrumentais em moldar genomas como parte do processo evolutivo.
O estudo de conjuntos cromossômicos normais e anormais e de suas propriedades genéticas é chamado de citogenética, uma disciplina que combina a citologia com a genética. A citogenética usa o genoma normal como seu padrão, ou tipo selvagem. Um citogeneticista tem que conhecer as características normais e os marcos do genoma antes de ser capaz de detectar quaisquer mudanças que tenham ocorrido.
2. A Topografia dos Cromossomos
Tamanho
Os cromossomos de um único genoma podem diferir consideravelmente em tamanho. No genoma humano, por exemplo, existe uma variação de tamanho de três a quatro vezes do cromossomo 1 ( o maior ) para o cromossomo 21 ( o menor ). Ao estudar os cromossomos de algumas espécies, um citogeneticista pode ter dificuldade em identificar cromossomos individuais apenas pelo tamanho, mas pode ser capaz de agrupar cromossomos de tamanho similar. Uma alteração pode então ser destacada, por exemplo, "um cromossomo do grupo A ".
Posições do Centrômero
O centrômero é a estrutura à qual se ligam as fibras do fuso. A região do centrômero em geral se apresenta como uma constrição, e a posição desta constrição define a proporção entre os comprimentos dos braços do cromossomo. Esta proporção é uma característica útil. As posições do centrômero podem se categorizadas como telocêntrica ( em uma ponta ), acrocêntrica ( fora do centro ), ou metacêntrica ( no meio ). A posição do centrômero determina não só a proporção do braços, mas também as formas dos cromossomos ao migrarem para os pólos opostos durante a anáfase. Estas formas de anáfase variam de um bastonete a um J ou V. Em alguns organismos, como os lepidópteros, os centrômeros são "difuso", de modo que a fibras do fuso se ligam ao longo do cromossomo. Quando um destes cromossomos se parte, ambas as partes ainda podem migrar para os pólos. Em contraste, uma quebra em um cromossomo com um único centrômero cria um fragmento que não pode se mover para o pólo pois não tem centrômero. Os fragmentos cromossômicos que não têm centrômero são chamados de acêntricos.
A estrutura molecular dos centrômeros de alguns organismos já é conhecida, como a estrutura das pontas dos cromossomos, os telômeros. Embora não morfologicamente distintos, os telômeros têm uma estrutura molecular única que é crucial para o comportamento cromossômico normal. Nas leveduras, a compreensão da estrutura molecular dos centrômeros e telômeros possibilitou criar cromossomos inteiramente novos. Estes cromossomas artificiais de levedura ( YACs ) são compostos de um centrômero, dois telômeros, uma origem de replicação do DNA, e entre eles qualquer tipo de DNA que o pesquisador queira inserir. Os YACs têm sido importantes como carreadores de DNA na manipulação do DNA de organismos complexos.
Posição dos Organizadores Nucleolares
Os nucléolos são organelas intranucleares que contêm RNA ribôssomico, um componente importante dos ribossomos. Organismos diferentes têm nucléolos diferentes, que variam em número de um a muitos por conjunto cromossômico. As células diplóides de muitas espécies têm dois nucléolos. Os nucléolos ficam próximos a constrições secundárias dos cromossomos, chamadas organizadores nucleolares, que têm posições altamente específicas no conjunto cromossômico. Os organizadores nucleolares contêm os genes que codificam RNA ribossômico. Sua posições, como a dos centrômeros, são marcos para a análise citogenética.
Padrões de Cromômeros
Os cromômeros são espessamentos em forma de contas, encontrados ao longo dos cromossomos durante a prófase da mitose e meiose. Os cromossomos homólogos tendem a ter conjuntos homólogos de cromômeros. Embora possam ser úteis como marcadores, sua natureza molecular não é conhecida.
Padrões de Heterocromatina
Quando os cromômeros sã tratados com substâncias químicas que reagem com o DNA, como o corante de Feulgen, são reveladas visualmente regiões distintas com características de coloração diferentes. As regiões densamente coradas são chamadas de heterocromatina, e as regiões pouco coradas são chamadas de eucromatina. A distinção reflete o grau de compactação ou helicoidização do DNA no cromossomo. A heterocromatina pode ser constitutiva ou facultativa. O tipo constitutivo é uma característica permanente de um local cromossômico específico, e é, neste sentido, uma característica hereditária. O tipo facultativo de heterocromatina, como o nome sugere, é às vezes, mas nem sempre, encontrado em um local cromossômico em particular. Os padrões de heterocromatina e eucromatina ao longo de um cromossomo são bons marcadores citogenéticos.
Padrões de Bandeamento
Procedimentos especiais de coloração cromossômica revelaram conjuntos específicos de bandas em muitos organismos diferentes. As posições e tamanhos das bandas são altamente específicos de cada cromossomo. Existem as bandas Q ( produzidas pelo hidrocloreto de quinacrina ), as bandas G ( produzidas pelo corante Giemsa ), e as bandas R ( reverso de Giemsa ).
Um tipo muito especializado de bandeamento, que tem sido muito usado pelos citogeneticistas por muitos anos, é característico dos chamados cromossomos politênicos em determinados órgãos dos insetos dípteros. Em 1981, E. G. Balbiani registrou estruturas peculiares nos núcleos de algumas células secretoras de moscas com duas asas. Estas estruturas eram longas, em forma de salsicha, e bem largas com tumefações e bandas transversas. Infelizmente, Balbiani não percebeu que eram cromossomos, e seu relato ficou esquecido na literatura. Somente em 1933 eles foram redescobertos e reconhecidos como um tipo especial de cromossomo.
Os cromossomos politênicos desenvolvem-se do seguinte modo: nos tecidos secretores, como os túbulos de Malpighi, reto, intestino, patas e glândulas salivares dos dípteros, os cromossomos replicam o seu DNA muitas vezes sem se separar em cromátides distintas. À medida que o cromossomo eleva seu número de réplicas, ele aumenta e se espessa. Este feixe de réplicas torna-se o cromossomo politênico.
Ao longo do comprimento de um cromossomo politênico existem faixas transversas chamadas bandas. As bandas politênicas são muito mais numerosas do que as bandas Q, G ou R, nas casa das centenas em cada cromossomo. As bandas diferem em largura e em morfologia, de modo que o padrão de bandeamento de cada cromossomo é único e característico deste cromossomo. Além disso, existem regiões que às vezes parecem tumefações ( puffs ), ou são muito distendidas ( anéis de Balbiani ), e correspondem a regiões onde há síntese de RNA. Recentes estudos moleculares mostraram que em qualquer região cromossômica de drosófilas existem mais genes que bandas politênicas, de modo que não há uma correspondência de um para um entre bandas e genes como se pensava. Do mesmo modo, o significado dos padrões de bandeamento dos cromossomos dos vertebrados não está completamente claro. Entretanto, sabe-se que as bandas cromossômicas refletem a composição de nucleotídios do DNA, e que a maioria dos genes ativos reside nas bandas claras.
Usando em conjunto todos os marcos cromossômicos disponíveis, os citogeneticistas podem distinguir cada um dos cromossomos em muitas espécies.
Os marcos cromossômicos são úteis não só para caracterizar os cromossomos normais, como também para detectar mutações cromossômicas, às vezes conhecidas como rearranjos cromossômicos. Muitos rearranjos são conhecidos pelas alterações nos marcos cromossômicos. Entretanto, existem também meios genéticos para detectar os rearranjos.
Consideremos duas propriedades importantes nos cromossomos que são úteis para compreender as mutações estruturais. A primeira é que durante a prófase I da meiose, as regiões homólogas dos cromossomos têm uma forte afinidade de pareamento, e se necessário se entortam para poder se parear. Devido a isto, podem ser vistas muitas estruturas curiosas em umas célula que tem um conjunto padrão de cromossomos e um aberrante. Lembrando-se que nos cromossomos politênicos o homólogos também se pareiam, resultando assim formas comparáveis. A segunda propriedade importante está relacionada às pontas dos cromossomos partidos. As mudanças de estrutura geralmente envolvem quebras cromossômicas, e as pontas de cromossomos quebrados são altamente "reativas", tendendo fortemente a se juntarem a outras pontas quebradas. Os telômeros (pontas normais dos cromossomos ), entretanto, não tendem a se juntar.
3. Tipos de Alterações na Estrutura dos Cromossomos
Um rearranjo cromossômico pode ocorrer de novo em uma célula de qualquer tecido, e o resultado será um cariótipo heterozigoto consistindo em um conjunto normal mais um rearranjado. Os rearranjos que ocorrem no tecido somático podem Ter efeitos fenotípicos em uma célula ou em um setor de células somáticas. Os rearranjos que ocorrem no tecido germinativo podem gerar meiócitos heterozigotos. Neste caso, o rearranjo original pode ser encontrado em uma proporção de gametas, mas adicionalmente podem ocorrer vários tipos de segregações cromossômicas meióticas anormais, resultando em tipos novos de rearranjos cromossômicas, e eles também existirão nos gametas. Se um rearranjo ocorrer de novo na população de gametas, ele também poderá ir para alguém na prole.
Os gametas com rearranjos se unirão mais provavelmente a gametas normais do sexo oposto, de modo que o zigoto e todas as células do indivíduo da F1 que se desenvolva deste zigoto serão heterozigotas para o rearranjo. O impacto fenotípico potencial do arranjo será, portanto, muito mais grave. Além disso, todos os meiócitos em tal indivíduo serão heterozigotos para o rearranjo, e uma grande proporção de gametas conteria o rearranjo parental ou um rearranjo derivado.
Ao discutir os rearranjos cromossômicos, é conveniente usar letras para representar regiões cromossômicas diferentes. Estas letras representam, portanto, segmentos grandes de DNA, cada um contendo muitos genes.
A perda simples de um segmento cromossômico é chamada de deleção ou deficiência.
A presença de duas cópias de uma região cromossômica é chamada de duplicação.
Um segmento de um cromossomo pode girar 180 graus e se reunir ao cromossomo, resultando em uma mutação cromossômica chamada de inversão.
Finalmente, dois cromossomos não-homólogos podem trocar partes para produzir uma mutação cromossômica chamada translocação.
3.1. Deleções
O processo de ocorrência de uma deleção espontânea deve envolver duas quebras cromossômicas e a perda do segmento intercalar. Se as duas partes se unem e uma delas tem o centrômero, resultará um cromossomo mais curto, que é dito portador de uma deleção. O fragmento deletado é acêntrico. Consequentemente, ele é imóvel e será perdido. Um mutágeno efetivo para induzir rearranjos cromossômicos de todos os tipos é a radiação ionizante. Este tipo de radicação, da qual os raios X e Y são exemplos, é altamente energética e causa quebras cromossômicas. O modo pelo qual as quebras se reúnem determina o tipo de rearranjo produzido. São possíveis dois tipos de deleção. Duas quebras podem produzir uma deleção intersticial. Em princípio, uma única quebra pode causar uma deleção terminal, mas devido à necessidade das pontas especiais do cromossomo, é provável que deleções aparentemente terminais envolvam duas quebras, uma perto do telômero.
O efeitos das deleções dependem de seu tamanho. Uma pequena deleção de um gene, chamada de deleção intragênica, inativa o gene e tem o mesmo efeito que outras mutações nulas deste gene. Se o fenótipo nulo homozigoto for viável, então a deleção homozigota também será viável. As deleções intragênicas podem ser diferenciadas de alterações de um único nucleotídio porque são irreversíveis.
Na maior parte desta seção estaremos lidando com deleções multigênicas, as que removem de dois a vários milhares de genes. Estas têm conseqüências mais graves. Se por endogamia tal deleção se torna homozigota, a combinação é quase sempre letal. Isto sugere que a maioria das regiões dos cromossomos são essenciais para a viabilidade normal e que a eliminação completa de qualquer segmento do genoma é deletéria. Mesmo os indivíduos heterozigotos para uma deleção multigênica – Aquele com um homólogo normal e um com a deleção – podem não sobreviver. Existem vários motivos possíveis para esto. Primeiro, um genoma há foi ‘ajustado’ durante a evolução para um balanço específico de genes, e a deleção perturba este balanço. Vários tipos diferentes de mutações cromossômicas perturbam a proporção ou balanço de genes em um genoma. Segundo, em muitos organismos existem letais recessivos e outras mutações deletérias ao longo do genoma. Casso ‘compensadas’ por alelos selvagens no outro homólogo, estes recessivos não se expressam. Entretanto, uma deleção pode ‘revelar’ recessivos, permitindo sua expressão em nível fenotípico.
Entretanto algumas deleções pequenas são viáveis em combinação a um homólogo normal. Nestes casos, a deleção pode às vezes ser identificada pela análise citogenética. Se os cromossomos meióticos forem examinados em um indivíduo portador de uma deleção heterozigota, a região da deleção pode ser determinada pela falta do segmento correspondente no homólogo normal de pareamento, resultando em uma alça de deleção. Nos insetos, as alças de deleção também são detectadas nos cromossomos politênicos, nos quais os homólogos se fundem. Uma deleção pode ser demarcada em um local cromossômico específico determinando-se qual cromossomo apresenta a alça de deleção e a posição da alça ao longo do cromossomo.
Além dos critérios citogenéticos, existem vários critérios puramente genéticos para inferir a presença de uma deleção. Estes critérios são particularmente úteis em espécies cujos cromossomos não são facilmente estudados citogeneticamente.
Já encontramos dois critérios. O primeiro é a falta de sobrevivência do cromossomo como homozigoto. Entretanto, este efeito também pode ser produzido por qualquer mutação letal. Segundo, os cromossomos com deleções nunca podem reverter à condição normal. Este critério só é útil se houver algum fenótipo específico associado à deleção.
Um terceiro critério é que nas deleções heterozigotas as freqüências de recombinantes entre os genes que flanqueiam a deleção são menores do que nos cruzamentos controlo. Isto intuitivamente faz sentido, pois parte da região contém um trecho cromossômico não pareado, o qual não pode participar do crossing-over. Veremos que as inversões têm um efeito similar nas freqüências de recombinantes, mas podem ser distintas de outros modos.
Um quarto critério para se deduzir a presença de uma deleção é que a deleção de um segmento em um homólogo às vezes revela alelos recessivos presentes no outro homólogo, levando à sua expressão inesperada. Neste caso, não se espera que nenhum dos seis alelos recessivos se expresse, mas se b e c se expressarem isto sugerirá que ocorreu uma deleção no outro homólogo envolvendo os loci b+ e c+. Como em tais casos parece que os alelo recessivos estão mostrando dominância. O efeito é chamado de pseudodominância.
O efeito de pseudodominância também pode ser usado no sentido oposto. Um conjunto conhecido de deleções superpostas é usado para situar as posições de novos alelos mutantes no mapa. Este procedimento é chamado de mapeamento de deleção.
A análise de deleções possibilita comparar um mapa de ligação baseado na freqüência de recombinantes com o mapa cromossômico baseado no mapeamento de deleção. De um modo geral, onde isto já foi feito, os mapas tem boa correspondência, uma confirmação citológica satisfatória de uma criação puramente genética.
Além disso, a pseudodominância pode ser usada para mapear uma pequena deleção que não pode ser vista microscopicamente.
Os clínicos freqüentemente encontram deleções nos cromossomos humanos. Na maioria dos casos as deleções são relativamente pequenas, entretanto. Tm um efeito fenotípico adverso, mesmo em heterozigose. As deleções de regiões específicas de cromossomos humanos causam síndromes únicas de anomalias fenotípicas. Um exemplo é a síndrome do cri du chat (miado do gato), causada por uma deleção heterozigota da ponta do braço curto do cromossomo 5. Convencionou-se chamar o braço curto de um cromossomo de p. e o braço longo de q. O fenótipo mais característico na síndrome é o que lhe deu o nome, um choro similar a um miado de gato nas crianças com esta deleção. Outras manifestações fenotípicas a síndrome são a microcefalia e uma face arredondada. Como as síndromes causadas por outras deleções, a síndrome do miado de gato também inclui retardo mental.
A maioria das deleções humanas, como as que já consideramos, surgem espontaneamente na linhagem germinativa de um genitor normal de uma pessoa afetada. Assim não são encontrados sinais da deleção nos cromossomos de células somáticas dos genitores.
Entretanto algumas deleções humanas são produzidas por irregularidades meióticas em um genitor heterozigoto para outro tipo de rearranjo. A síndrome do miado do gato, po0r exemplo, pode resultar de um genitor heterozigoto para uma translocação.
Os geneticistas mapearam os genes humanos de deleções usando uma técnica molecular chamada hibridização in situ. Se um gene de interesse ou outro fragmento de DNA tiver sido isolado usando-se a moderna tecnologia molecular, ele pode ser marcado com uma substância química ou com radiação, e então adicionado a uma preparação cromossômica e examinado ao microscópio. Em tal situação, o DNA reconhece e se liga fisicamente ao cromossomo normal pelo pareamento de nucleotídios e é reconhecido como um ponto de radioatividade ou de corante. A localização exata de tais pontos é difícil de se correlacionar com bandas específicas, mas a técnica de deleção permite identificá-las. Se a deleção atingir o locus em questão, nenhum ponto surgirá quando o teste for feito como o cromossomo deletado, pois a região de ligação simplesmente não existe. Usando linhagens celulares de pacientes com deleções, os geneticistas desenvolvem painéis de superposição de deleções cobrindo regiões específicas de cromossomos, e elas podem ser usadas para destacar a posição de um gene.
As mutações cromossômicas freqüentemente surgem em células cancerosas. Nem todas as células em um tumor apresentam a deleção, geralmente pode ser encontrada em um tumor uma mistura de mutações cromossômicas diferentes. A contribuição de tais alterações para o fenótipo do câncer não é compreendida.
Uma diferença interessante entre animais e plantas é revelada pelas deleções. Um animal macho que seja heterozigoto para uma deleção cromossômica e um normal. Produz espermatozóides normais, portanto cada um dos dois cromossomos em números aproximadamente iguais. Em outra palavras, os espermatozóides parecem funcionar até certo ponto independentemente de sua constituição genética. Na plantas diplóides, por outro lado, o pólen produzido por uma deleção heterozigota é de dois tios: Pólens funcionais portando o cromossomo normal, e não-funcionais portando o homólogo deficiente. Assim, as células de grão de pólen parecem ser sensíveis a mudanças na quantidade de material cromossômico, e esta sensibilidade pode agir eliminado as deleções. A situação é um pouco diferente para as plantas poliplóides, bem mais tolerantes a pólens com deleção. Esta tolerância ocorre por existirem vários conjuntos cromossômicos pares no pólen, e a perda de um segmento em dum destes conjuntos é menos crucial do que seria em uma célula haplóide de pólen. Os ovócitos, tanto em plantas diplóides quanto poliplóides, também são bem tolerantes para deleções, supostamente devido ao efeito nutriente dos tecidos maternos vizinhos.
3.2. Duplicações
Os processos de mutações cromossômicas às vezes produzem uma cópia extra de alguma região cromossômica. Considerando um organismo haplóide, que tem um conjunto cromossômico. É fácil ver por que tal produto é chamado de duplicação, pois a região se apresenta em duplicata. As regiões duplicadas podem estar situadas uma adjacente à outra, ou uma pode estar no local normal e a outra em um novo local, em uma parte diferente do mesmo cromossomo, ou mesmo em outro cromossomo. Em um organismo diplóide, o conjunto cromossômico que contém a duplicação geralmente se apresenta junto com um conjunto cromossômico padrão. As células de tal organismo terão, logicamente, três cópias da região cromossômica em questão, mas, apesar disso, estas duplicações heterozigotas em geral são chamadas de duplicações porque portam o produto de um evento de duplicação.
As duplicações heterozigotas também apresentam interessantes estruturas de pareamento na meiose ou em cromossomos de glândulas salivares. A estrutura exata que se forma depende do tipo de duplicação. Eles podem ser em tandem, como exemplo A B C B C D, ou reversa, como no caso A B C C B D.
Uma vez que surja uma duplicação em tandem em um indivíduo, é possível, por endogamia, que alguns descendentes sejam homozigotos para a duplicação, tendo um total de quatro cópias da região cromossômica duplicada. Tais indivíduos apresentam uma outra característica interessante das duplicações, a possibilidade de pareamento assimétrico. O crossing-over na meiose de tais regiões assimétricas pareadas pode criar uma triplicação em tandem da região cromossômica.
A região extra de uma duplicação está livre para sofrer mutação gênica, pois as funções básicas necessárias da região serão diferença funcional dos genes duplicados, que pode ter sido vantajosa na evolução do genoma. De fato, partindo de produtos gênicos diferentes, funções correlatas podem ser comparadas como as globulinas, havendo boas evidências de que estes produtos surgiram como duplicações uns dos outros.
Como algumas deleções, as duplicações de algumas regiões genéticas podem produzir fenótipos específicos e agir como mutações gênicas.
Algumas melhores evidências de que as duplicações em tandem são derivadas de crossings desiguais vêm de estudos dos genes que determinam a estrutura da hemoglobina humana. A molécula de hemoglobina é composta de dois tipos diferentes de subunidades. Além disso, existem sempre duas de cada tipo de subunidade, dando um total de quatro subunidades. As pessoas têm hemoglobinas diferentes em idades diferentes, isto é, os tipos de subunidades diferem. As estruturas das duas subunidades diferentes são determinadas por genes diferentes, alguns dos quais estão ligados e outros não.
As duplicações em tandem são raras em humanos. A maioria das duplicações consistem em um braço cromossômico extra ou parte de um braço, geralmente ligado a um cromossomo não-homólogo. Como algumas deleções, as duplicações de alguns cromossomos humanos causam síndromes de anomalias fenotípicas. Uma pessoa afetada por uma síndrome de duplicação tem três cópias da região duplicada, enquanto outras regiões cromossômicas estão presentes em duas cópias, como é comum. Humanos homozigotos para duplicações são conhecidos na genética médica. Ao contrário das deleções, as duplicações não revelam recessivos deletérios, portanto as anomalias associadas a duplicações só podem ser atribuídas ao desequilíbrio grado pela cópia extra da região cromossômica.
Em geral, as duplicações são difíceis de se detectar e são raras. Entretanto, elas são instrumentos úteis em pesquisa e podem ser geradas por outras aberrações cromossômicas através de manipulações.
As duplicações também podem ser criadas usando-se a moderna tecnologia do DNA. As células podem ser induzidas a captar fragmentos específicos de DNA de sua própria espécie, e este DNA pode ser inserido na estrutura linear de um cromossomo. Ele pode se inserir seja em seu locus comum, substituindo a seqüência residente, seja em um local completamente diferente chamado sítio ectópico. A inserção do DNA em um sítio ectópico cria uma duplicação do fragmento que foi captado. Este é um modo direto e conveniente de se fazerem pequenas duplicações.
3.3. Inversões
Se ocorrem duas quebras em um cromossomo às vezes a região entre as quebras gira 180 graus antes de se reunir aos dois fragmentos restantes. Isto crias uma mutação cromossômicas chamada de inversão. Ao contrário das deleções e duplicações, as inversões não envolvem mudança na quantidade geral de material genético, de modo que as inversões são geralmente viáveis e não apresentam anomalias particulares em nível fenotípico. EM alguns casos, uma das quebras cromossômicas está dentro de um gene de função essencial, e então este ponto de quebra atua como uma mutação gênica ligada à inversão. Em tal caso, a inversão não ode se tornar homozigota. Entretanto, muitas inversões podem se tornar homozigotas, e além disso outras inversões podem ser detectadas em organismos haplóides, de modo que nestes casos o ponto de quebra obviamente não é em uma região essencial.
A maioria das análises de inversões usa inversões heterozigotas, diplóides nos quais um cromossomo tem a seqüência padrão e um tem a inversão. As observações microscópicas das meioses nas inversões heterozigotas revelam o local do segmento invertido, pois um cromossomo forma uma alça na região da inversão para se parear com o outro, onde está a inversão. Deste modo, os homólogos forma uma alça de inversão.
A localização do centrômero em ralação ao segmento invertido determina o comportamento genético do cromossomo. Se o centrômero estiver fora da inversão, diz-se que ela é paracêntrica, enquanto as inversões que envolvem o centrômero são pericêntricas.
O crossing-over dentro da alça de inversão de uma inversão paracêntrica conecta centrômeros homólogos em uma ponte dicêntrica, produzindo também um fragmento acêntrico, um se centrômero. Então, à medida que os cromossomos se separam durante a anáfase I, os centrômeros permanecem ligados pela ponte. Isto orienta os centrômeros, de modo que as cromátides sem crossing ficam distantes. O fragmento acêntrico não pode se fixar ao fuso nem se mover, sendo , consequentemente, perdido. A tensão por fim rompe a ponte, formando dois cromossomos com deleções terminais. Os gametas contendo tais cromossomos deletados podem ser inviáveis, ma, mesmo se viáveis, os zigotos que eles formarem serão inviáveis. Assim, um evento de crossing que normalmente produz a classe recombinante de produtos meióticos, gera produtos letais. O resultado geral é uma freqüência menor de recombinantes. De fato, para genes dentro da inversão a FR é zero. Para genes que flanqueiam a inversão, a FR é reduzida na proporção do tamanho relativo da inversão.
As inversões afetam a recombinação também de outro modo. As heterozigotas em geral têm problemas de pareamento mecânico na região da inversão. Isto reduz a freqüência de crossing-over e portanto a freqüência de recombinantes na região.
O efeito genético final de uma inversão pericêntrica é o mesmo que o de uma paracêntrica, os produtos do crossing não são recuperados, mas por motivos diferentes. Em um inversão pericêntrica, como os centrômeros estão contidos dentro da região invertida, os cromossomos que participaram do crossing se separam do modo normal, sem a criação de uma ponte. Entretanto, o crossing produz cromátides que contêm a duplicação e a deficiência de parte diferentes do cromossomo. Neste caso, se o núcleo portador de um cromossomo do crossing for fertilizado, o zigoto morre devido ao seu desequilíbrio genético. Novamente, o resultado é a recuperação seletiva de cromossomos sem crossing na prole viável.
Vale a pena acrescentar algo sobre as inversões homozigotas. Em tais casos, os cromossomos homólogos invertidos se pareiam e fazem crossing normalmente, não existem pontes, e os produtos meióticos são viáveis. Entretanto, há um efeito interessante: o mapa de ligação mostrará a ordem invertida dos genes.
Os geneticistas usam as inversões para criar duplicações de regiões cromossômicas específicas para vários fins experimentais.
As inversões são encontradas em cerca de 2% dos humanos. Os portadores de inversões heterozigotas em geral não apresentam um fenótipo adverso mas geram produtos meióticos anormais por crossing na alça de inversão. Os indivíduos heterozigotos para inversões pericêntricas geram uma prole como os cromossomos com duplicação-deleção previstos. Esta prole apresenta graus variados de anomalias dependendo do comprimento das regiões cromossômicas envolvidas. Alguns fenótipos causados por cromossomos com duplicação-deleção são anomalias a ponto de serem incapazes de sobreviver até o nascimento, e são perdidos como abortos instantâneos. Entretanto, há um modo de estudar os produtos meióticos anormais que não dependem de sobrevida a termo. Os espermatozóides humanos colocados em contato com ovócitos não fertilizados de hamster dourado penetram nos ovócitos mas não os fertilizam. O núcleo do espermatozóide não se funde com o núcleo do ovócito, e se a célula for preparada para exame citogenético, os cromossomos humanos são facilmente visíveis como um grupo distinto. Isto torna possível estudar diretamente os produtos cromossômicos de uma meiose masculina e é particularmente útil no estudo dos produtos meióticos de homem que têm mutações cromossômicas.
Em um caso, um homem heterozigoto para uma inversão do cromossomo 3 foi submetido a análise de espermatozóides. A inversão era grande, com um alto potencial de crossing na alça. Foram encontrados quatro tipos de cromossomo 3 nos seu espermatozóides: normal, inversão, e dois tipos recombinantes.
3.4. Translocações
Quando dois cromossomos não-homólogos mutam trocando partes, os rearranjos cromossômicos resultantes são translocações. Consideraremos as translocações recíprocas o tipo mais comum. Um segmento de um cromossomo é trocado com um segmento de um outro não-homólogo, de modo que são gerados simultaneamente dois cromossomos translocados.
A troca de partes de cromossomos entre não-homólogos estabelece novas relações de ligação. Estas novas ligações são reveladas se os cromossomos translocados forem homozigotos e mesmo quando são heterozigotos. Além disso, as translocações podem alterar drasticamente o tamanho de um cromossomo, bem como a posição de seus centrômeros.
Nos heterozigotos que têm dois cromossomos translocados e suas contrapartes normais, existem importantes efeitos citológicos e genéticos. Novamente, as afinidades de pareamento das regiões homólogas ditam uma configuração característica de cromossomos em sinapse na meiose.
As translocações são economicamente importantes. Na agricultura, as translocações em alguns cultivos de linhagens podem reduzi-lo consideravelmente, devido ao número de zigotos não-balanceados que se formam. Por outro lado, as translocações são potencialmente úteis: foi proposto que as pestes de insetos podem ser controladas introduzindo translocações em suas populações selvagens. De acordo com a proposta, 50% da prole de cruzamentos entre insetos portadores da translocação e tipos selvagens morreriam, e 10/16 da prole de cruzamentos entre insetos portadores da translocação também morreriam.
Geneticamente, os marcadores em cromossomos não-homólogos parecem estar ligados se estes cromossomos estiverem envolvidos em uma translocação e se os loci estiverem próximos ao ponto de quebra da translocação.
As translocações em humanos são sempre realizadas no estado heterozigoto. A síndrome de Down é uma constelação de distúrbios humanos causados pela presença de um cromossomo 21 extra que não se segregou de seu homólogo na meiose. Este tipo comum de síndrome é esporádico e não apresenta recorrência na família. Entretanto, há um tipo menos comum de síndrome de Down causado por um tipo especial de translocação, chamada translocação rebertsoniana, forma que pode se repetir em uma família. Uma translocação robertsoniana é a que combina os braços longos de dois cromossomos acrocêntricos. O material nos braços curtos não é essencial, pois sua perda não tem efeito no fenótipo. A síndrome de Down por translocação é causada por uma fusão robertsoniana entre os cromossomos 21 e 14. O cromossomo translocado passa para a outra geração por portadores não afetados. Entretanto, a segregação meiótica nos portadores da translocação pode resultar em prole que tem três cópias da maior parte do cromossomo 21 e estes indivíduos tem síndrome de Down. Os fatores responsáveis por várias outras doenças hereditárias foram relacionados à heterozigose noas genitores.
As translocações também aparecem nas células cancerosas. Nos tumores sólidos, as translocações não são tão comuns quanto as deleções. Como em outros rearranjos das células cancerosas, o envolvimento com o fenótipo do câncer em geral não está claro.
Como ocorre com outros rearranjos, os pontos de quebra da translocação às vezes podem romper um gene essencial, e o gene fica portanto inativado e se comporta como uma mutação de ponto. Os geneticistas moleculares podem usar este efeito para indicar a localização de um gene humano e podem então isolar o gene.
Os geneticistas freqüentemente precisam fazer duplicações ou deleções específicas para responder dúvidas experimentais específicas.
4. Alteração do número de conjuntos cromossômicos
Quando a mutação cromossômica altera o número de conjuntos cromossômicos inteiros, ocorrem euplóides aberrantes. Quando a mutação cromossômica altera pare dos conjuntos, resulta uma aneuploidia.
Os poliplóides como os triplóides (3x) e os tetraplóides (4x) são comuns no reino vegetal e também estão presentes no reino animal. Um número ímpar de conjuntos cromossômics torna o organismo estéril, pois não há um parceiro para cada cromossomo na meiose, enquanto números pares de conhuntos podem produzir proporções de segregação do tipo padrão. Os alopoliplóides ( poliplóides formados pela combinação de conhuntos de espécies diferentes ) podem ser produzidos cruzando duas espécies correlatas, e então duplicando os cromossomos da prole com o uso de colchicina, ou podem ser feitos pela fusão de células somáticas. Esatas técnicas têm aplicações importantes nos cultivos, pois os alopoliplóides combinam características de ambas as espécies parentais. A poliploidia pode resultar em um organismo de dimensões maiores. Esta descoberta permitiu que fossem feitos avanços importantes na horitcultura e nos cultivos.
Os aneuplóides também foram importantes na criação de genótipos específicos de culturas, embora a aneuploidia em si geralmente resulte em um genoma desbalanceado com u fenótipo anormal. Os exemplos de aneuplóides incuem monossômicos, (2n-1), trissômicos (2n+1), e dissômicos (n+1). As condições aneuplóides são bem estudadas em humanos. A síndrome de Down (trissomia do 21), síndrome de Klinefelter (XXY), e síndrome de Turner (45, X), são exemplos bem documentados. O nível espontâneo de aneuploidias em humanos é bem alto e gera uma grande parte das condições patológicas nas populações humanas. A maioria dos casos de aneuploidia resulta de não-disjunção cromossômica na maiose, ou não-disjunção cromatídica na mitose. A não-disjunção mitótica pode levar a mosaicos somáticos.
Parte II. Causas Testiculares da Infertilidade
· Anormalidades cromossômicas (síndrome de Klinefelter, distúrbio XX (síndrome reverso sexual), síndrome XYY)
· Síndrome de Noonan (síndrome masculino de Turner)
· Distrofia miotônica
· Anorquia bilateral (síndrome do evanescimento dos testículos)
· Síndrome de Del Castillo (aplasia de células germinativas)
· Gonadotoxinas (fármacos, radiação)
· Orquite
· Trauma
· Doença sistêmica (insuficiência renal, doença hepática, doença da célula falsiforme)
· Síntese ou atividade androgênica defeituosa
· Criptorquidismo
· Varicocele
Várias anormalidades cromossômicas somáticas estão associadas à infertilidade masculina. Num estudo conduzido em 1.263 casais estéreis, constatou-se que a incidência geral de anormalidades cromossômicas masculinas foi de 6.,2%. Num subgrupo em que a contagem espermática do parceiro masculino foi inferior a 10 milhões de espermatozóides, a incidência subiu para 11%. Em homens com azoospermia, 21% apresentaram anormalidades cromossômicas significativas. Entretanto, apenas em casos isolados, a infertilidade tem sido documentada em associação com anormalidade cromossômica específica, isto é, translocações D-D, anormalidades de anel, translocação recíproca e várias outras aberrações. Contudo, a realização de estudos cromossômicos deve ser considerada em homens com oligospermia grave ou azoospermia para a detecção de anormalidades cromossômicas sexuais e autossômicas.
A Síndrome de Klinefelter é um distúrbio genético provocado pela presença de um cromossomo X adicional no homem, sendo que o cariótipo comum é 47,XXY, sua forma clássica, ou 46,XY/47,XXY, sua forma mosaico. A incidência é de aproximadamente 1:500 homens. O característico é que esses homens apresentem testículos pequenos e firmes, maturação sexual retardada, azoospermia e ginecomastia. Como as características do hipogonadismo somente são evidentes na puberdade, o diagnóstico da condição é tardio. A redução da massa testicular deve-se, geralmente, à esclerose e hialinização dos túbulos seminíferos. O comprimento característico dos testículos é inferior a 2 cm com volume de 12 cm3. Os níveis elevados de LH e FSH também são característicos. Os níveis de testosterona podem variar de normais para baixos e diminuir com a idade. Os níveis séricos de estradiol freqüentemente elevam-se. Os níveis de estrogênio relativamente mais elevados do que os de testosterona provocam a aparência feminizada da ginecomastia. Aproximadamente 10% desses pacientes apresentam mosaicismo cromossômico. Os mosaicos exibem características menos graves da Síndrome de Klinefelter e podem ser férteis, já que podem ser um clone normal das células que se encontram dentro dos testículos. Deficiência mental leve e doença pulmonar restrita ocorrem com maior freqüência nesses pacientes do que na população geral. A infertilidade é reversível e, posteriormente na vida, a maior parte desses homens precisarão de terapia de reposição de androgênios para terem máxima virilização e função sexual normal.
O Distúrbio XX ou Síndrome Reversa Sexual é uma variante da Síndrome de Klinefelter. Os sinais são similares, à exceção de altura média menor do que o normal, hipospadia comum e incidência diminuída de deficiência mental. Esses pacientes possuem complemento cromossômico 46,XX. Esse paradoxo é explicado pelo fato de que suas células têm expressão de antígeno H-Y e supostamente possuem um cromossomo Y em algum lugar de seus genomas. A síndrome XYY tem a mesma incidência que a Síndrome de Klinefelter, mas a sua expressão fenotípica é mais variável. O sêmen desses homens pode variar de azoospermático a normal. Esses pacientes são excessivamente altos e tiveram acne pustular. Uma porcentagem deles apresenta comportamento anti-social. A maioria exibe níveis normais de LH e testosterona, mas o nível de FSH depende da extensão do dano às células germinativas. Não há nenhum tratamento para a infertilidade desses pacientes.
A Síndrome de Noonan é a contrapartida masculina da Síndrome de Turner (X0) e essas pessoas tipicamente apresentam características similar, isto é, estatura baixa, pescoço alado, implante baixo das orelhas, cúbito valgo, anormalidade oculares e anormalidades cardiovasculares. A maioria dos homens portadores de Síndrome de Noonan apresentam criptorquidismo e espermatogênese diminuída e são inférteis. Aqueles com função testicular diminuída apresentam níveis elevados de FSH e LH. Através de análise cromossômica, detecta-se anormalidade cromossômica sexual, como o mosaicismo X0/XY. Não existe nenhum tratamento para a infertilidade desses pacientes.
Pacientes com distrofia miotônica sofrem de relaxamento muscular retardado após contração inicial. As principais características clínicas também compreendem opacidades ocular, calvície frontal e atrofia testicular. A herança é dominante autossômica e a manifestação é variável, embora 80% desenvolvam atrofia testicular. O desenvolvimento puberal é geralmente normal, ocorrendo dano testicular posteriormente na vida adulta. A função da célula de Leydig permanece normal e não há presença de ginecomastia.
A anorquia bilateral ou síndrome do evanescimento dos testículos é um distúrbio extremamente raro que atinge aproximadamente 1 em cada 20.000 homens. Os pacientes apresentam testículos não-palpáveis ao nascer e imaturidade sexual mais tarde na vida devido à ausência de androgênios testiculares. O cariótipo é normal, mas os níveis de LH e FSH são elevados e os de testosterona, extremamente baixos. Os testículos podem ter se perdido no útero devido a torção, trauma, lesão vascular ou infecção. Entretanto, deve ter havido presença de tecido testicular em funcionamento pelo menos durante o primeiro trimestre da vida fetal permitindo a diferenciação dos ductos reprodutivos masculinos e da genitália externa ao longo das linhagem masculina. O nível de testosterona não aumenta em resposta à estimulação por gonadotropina coriônica humana. Esses pacientes exibem proporções corporais eunucóides, mas não ginecomastia. a terapia somente pode ser direcionada para corrigir a deficiência de testosterona.
A síndrome de Del Castillo ou aplasia de células germinativas pode ter várias causas, como ausência congênita de células germinativas, defeitos genéticos ou resistência androgênica. Na biópsia testicular há ausência completa de elementos germinativos. Entre os achados clínicos estão azoospermia associada a virilização, testículos de consistência normal, más de tamanho ligeiramente menor, e ausência total de ginecomastia. Os níveis de testosterona e LH são normais, mas os níveis de FSH geralmente são elevados. Às vezes, em pacientes que sofreram de outros distúrbios testiculares, como caxumba, criptorquidismo ou danos por radiação/toxinas, os túbulos seminíferos também podem conter apenas células de Sertoli. Nesses homens, porém, os testículos são pequenos e o padrão histológico não é uniforme. Esses pacientes também correm maior risco de apresentar esclerose grave e hialinização como características de destaque. Não há nenhum tratamento para a infertilidade desses homens.
As gonadotoxinas, como as drogas e a radiação, podem afetar o epitélio germinativo por este ser um tecido que se subdivide rapidamente e suscetível a interferências na divisão celular. A quimioterapia contra câncer exerce efeito dose-dependente sobre o epitélio germinativo testicular. O epitélio germinativo é, aparentemente, mais resistente a drogas tóxicas antes da puberdade do que na fase adulta. Os agentes alcilantes, como a, ciclofosfamida e mostarda nitrogenada, são particularmente tóxicos para os testículos. Em alguns pacientes, sêmen do paciente pode ser submetido a criopreservação antes de se iniciar a quimioterapia. A ciproterona, o cetoconazol, a espironolactona e o álcool, todos, interferem na síntese da testosterona. A cimetidina é um antagonista da testosterona, bloqueando a atividade periférica da testosterona. Esses homens freqüentemente apresentam ginecomastia e têm contagens espermáticas diminuídas. Os entorpecentes, como maconha, heroína e metadona, estão associados a níveis séricos mais baixos de testosterona sem elevação concomitante dos níveis de LH. Isso sugere que há anormalidade central tanto quanto defeito testicular. Certos pesticidas, como o dibromocloropropanol, têm mostrado prejudicar a função testicular nos homens. As células germinativas são particularmente sensíveis à radiação, enquanto as células de Leydig são relativamente resistentes. Em níveis de exposição inferiores a 600 rads, o dano às células germinativas é reversível. Acima desse nível de exposição, o dano permanente é bem provável. A recuperação da espermatogênese pode demorar até 2-3 anos, mesmo em homens tratados com baixas doses de radiação. Níveis elevados de FSH refletem espermatogênese prejudicada, os quais voltam ao normal após a recuperação dos testículos.
Aproximadamente 15%-20% dos homens adultos que contraem caxumba podem desenvolver orquite normalmente unilateral, embora comprometimento bilateral ocorra em aproximadamente 10% dos homens afetados. Pode ocorrer desenvolvimento de atrofia testicular em 1 a 6 meses, ou mesmo depois de anos. Menos de um terço dos homens com orquite bilateral voltam a apresentar parâmetros seminais normais.
A posição exposta dos testículos os torna suscetíveis a traumas e à atrofia subseqüente. Lesões iatrogênicas podem ocorrer durante cirurgia inguinal e interferir no fornecimento sangüíneo ou prejudicar o vaso deferente.
Doenças sistêmicas, como a insuficiência renal, que provocam uremia em homens estão associadas à libido diminuída, impotência, espermatogênese alterada e ginecomastia. Níveis de LH e FSH são elevados e os de testosterona, baixos. A causa do hipogonadismo na uremia é provavelmente de caráter multifatorial. Já foi constatado que os níveis séricos de prolactina se elevam em 25%, nesses pacientes. O excesso de estrogênio pode contribuir a essa elevação. Fármacos anti-hipertensivos e a neuropatia urêmica também podem desempenhar um papel na impotência urêmica e no hipogonadismo. Após transplante renal bem sucedido, o hipogonadismo urêmico apresenta melhora. Grande porcentagem dos homens com cirrose hepática sofrem de atrofia testicular, impotência e ginecomastia. Os níveis de testosterona são baixos. O estradiol eleva-se devido à extração hepática diminuída de androgênios, aumentando a sua conversão periférica em estrogênio. Os níveis de LH e FSH são apenas moderadamente elevados em comparação com os níveis séricos baixos de testosterona. O etanol também provoca redução aguda dos níveis de testosterona ao inibir a síntese de testosterona testicular. Muitos homens com doença da célula falsiforme apresentam evidências de hipogonadismo. Embora a lutropina e a folitropina possam ocorrem em níveis variáveis, os níveis de testosterona são baixos. O hipogonadismo da doença da célula falsiforme é provavelmente secundário a uma combinação de causas testiculares e pituitário-hipotalâmicas.
Distúrbios hereditários raros provocados por defeitos enzimáticos podem resultar em síntese defeituosa de testosterona e estão associados a uma virilização inadequada , a qual se evidência no nascimento como genitália ambígua. Várias formas de resistência androgênica causam sub-masculinização e infertilidade em homens que, sob os demais aspectos, têm genitália normalmente desenvolvida. O diagnóstico se dá quando constatada a presença de receptores androgênicos anormais em cultura de fibroblastos da pele genital. A elevação dos níveis de testosterona e LH é característica. A comprovação dessa condição é onerosa e não existe tratamento para a infertilidade nesses casos.
O criptorquidismo é um defeito comum de desenvolvimento com incidência de 0,8% entre homens adultos. Os testículos não-descido tornam-se morfologicamente anormais após os 2 anos de idade. Apesar de orquiopexia profilática, os pacientes com criptorquidismo unilateral apresentam potencial reduzido de fertilização. Parece ser que pessoas com essa condição apresentam disgênese tanto no testículo normalmente descido como no anormalmente descido. A qualidade do sêmen é particularmente ruim em pacientes criptorquídicos bilaterais. Embora os níveis séricos basais de FSH, LH e testosterona possam ser normais, há resposta acima do normal por parte do LH e do FSH para gerar estimulação, o que reflete função testicular comprometida.
A varicocele é a causa mais comum de infertilidade nos homens. É provocada por fluxo sangüíneo retrógrado secundário a válvulas incompetentes ou ausentes nas veias espermáticas. Essa deficiência valvular, em associação com o longo curso vertical da veia espermática interna do lado esquerdo, leva à formação de varicoceles no lado esquerdo, na maioria das vezes (90%). A presença de varicoceles não é tão comum no lado direito por causa do curso oblíquo da veia espermática interna direita que sai da veia cava. A ocorrência de varicocele unilateral no lado direito sugere o desenvolvimento de trombose/tumor venoso ou sítio inverso. Testes diagnósticos mais recentes têm demonstrado que a incidência de varicoceles bilaterais é superior a 40%. A incidência de varicoceles na população adulta masculina é de aproximadamente 20% e, na população infértil, de aproximadamente 40%. Dos homens com varicoceles, 50% apresentam sêmen de qualidade prejudicada, mas muitos homens com varicoceles são férteis. Para explicar as anormalidades na espermatogênese observadas com o aparecimento de varicoceles, as seguintes teorias têm sido propostas:
1. elevação da temperatura testicular devido a estase venosa
2. fluxo retrógrado de metabólitos tóxicos de origem adrenal ou hepático.
3. estagnação de sangue com hipoxia epitelial germinativa, e
4. alterações no eixo hipotalâmico-pituitário-gonadal.
Evidências experimentais recentes têm constatado aumento bilateral tanto do fluxo sangüíneo testicular como da temperatura no caso de espermatogênese alterada.
Infelizmente, pelo menos 25%-40% dos homens inférteis apresentam infertilidade idiopática, para a qual não existe nenhuma causa identificada. É de se esperar que mais causas sejam descobertas com a expansão do conhecimento sobre a fisiologia reprodutiva masculina.
Marcelo Hiroyuki Kobiraki

-GELBART, M. WILLIAM; GRIFFITHS, ANTHONY J. F.; LEWONTIN RICHARD C.; MILLER, JEFFREY H.; SUZUKI, DARID T.. Introdução à Genética, 6ª ed., Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1998, 856 p..

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