Uma visão geral da análise genética

Nossas características dependem das variantes genéticas que herdamos de nossos pais. Para entender por que uma pessoa tem um certo conjunto de traços ou "fenótipo", os pesquisadores estudam a função de genes individuais e seus alelos, e como os genes interagem entre si e com o ambiente.

Neste vídeo, abordaremos uma breve história de genética, grandes questões no campo, ferramentas usadas por geneticistas e algumas pesquisas atuais.

Vamos começar revendo algumas descobertas fundamentais em genética.

Nas entre 1850 e 1860, Gregor Mendel realizou experimentos de acasalamento em plantas de ervilha e observou que a herança dos traços seguia regras previsíveis e dependia de "fatores" dos pais.

No mesmo período de tempo, Charles Darwin propôs sua teoria da evolução por seleção natural, que dependia de variação hereditária em traços dentro de populações que levaram à sobrevivência diferencial. No entanto, seriam mais de 70 anos até que a conexão entre Mendel e a obra de Darwin fosse finalmente compreendida.

Embora a pesquisa de Mendel tenha caído em grande parte na obscuridade, ela ressurgiu em 1900 e foi popularizada por William Bateson, que também cunhou o termo "genética", e em 1909, Wilhelm Johannsen usou pela primeira vez a palavra "gene" em referência aos fatores de Mendel. Durante o início dos anos 1900, Bateson — juntamente com R.C. Punnett e Edith Saunders — também descreveu a epistase, onde diferentes genes interagem para influenciar um fenótipo; e ligação, onde diferentes características parecem ser herdadas juntas.

Em 1911, Thomas Hunt Morgan e colegas, ao estudar a mosca-das-frutas Drosophila, propuseram um mecanismo de ligação — que os genes estão localizados em cromossomos, e genes no mesmo cromossomo são herdados juntos. Dois anos depois, o estudante de Morgan Alfred Sturtevant usou essa "ligação" para criar o primeiro mapa genético, que retratava os locais relativos dos genes ao longo dos cromossomos.

Apesar do sucesso de Morgan e outros, permaneceram dúvidas sobre a aplicabilidade da genética de Mendel para explicar a herediência de muitos traços, como a altura humana, que mostram variação contínua em uma população. R. A. Fisher conseguiu preencher essa lacuna em 1918, quando demonstrou que traços continuamente variados podem ser explicados pelo efeito aditivo de um grande número de genes.

Durante as duas décadas seguintes, Fisher, juntamente com Sewall Wright e J.B. S. Haldane, forneceram mais evidências matemáticas e experimentais para explicar como as frequências de alelo em populações podem ser moldadas por fatores como a seleção natural, bem como a deriva genética, ou o efeito de eventos aleatórios. Na década de 1950, esses geneticistas populacionais conseguiram reunir o trabalho de Mendel e Darwin na "Síntese Moderna da Biologia".

Depois de rever a história da genética, vamos explorar algumas questões-chave no campo.

Embora alguns fenótipos sejam monogênicos e controlados por genes únicos, a maioria é poligênica e resulta da ação combinada de múltiplos genes. Muitos cientistas estão investigando como os genes funcionam em caminhos ou redes para produzir características.

Outros pesquisadores estão interessados em separar os papéis dos genes e fatores ambientais na produção de diferentes características. Uma maneira que os pesquisadores podem conseguir isso é avaliando a "norma de reação" de um genótipo, ou a gama de fenótipos que produz em diferentes ambientes. Geneticistas também comparam o perfil fenotípico de diferentes genótipos para indivíduos dentro do mesmo ambiente. Isso dá uma estimativa para a "herdabilidade" de uma característica, ou a quantidade de variância fenotípica dentro de uma população que é devido à variância genética. A hereditariedade é afetada pela variação genotipada e ambiental, e a hereditariedade de um traço pode ser diferente de um conjunto de condições ambientais para outro.

Finalmente, os cientistas também estão tentando entender por que certos alelos, mesmo aqueles que conferem traços nocivos, como a anemia falciforme, permanecem em uma população. Para isso, estudam como forças como migração e seleção natural podem influenciar as frequências de alelos e traços em uma população.

Agora que vimos as perguntas que os geneticistas fazem, vamos ver as ferramentas que estão sendo usadas para respondê-las.

Um método popular é a cruz genética, onde organismos com diferentes genótipos ou fenótipos são acasalados, e traços na prole observados. Cruzes genéticas podem ajudar os pesquisadores a avaliar quantos genes determinam um traço específico, como os genes e seus alelos interagem entre si, e os locais cromossômicos dos genes.

Outra ferramenta para identificar novos genes envolvidos em fenótipos é a tela genética. As telas podem ser "para a frente", onde os pesquisadores geram mutantes aleatoriamente e identificam os genes mutantes que dão origem a fenótipos de interesse; ou podem ser "reversos", onde os pesquisadores induzem mutações em genes específicos e observam quais características são afetadas. As telas também podem envolver organismos em crescimento com o mesmo genótipo em diferentes ambientes, ou cruzar um organismo mutante com uma série de mutantes de exclusão genética, a fim de identificar novas interações gene-ambiente ou gene-gene.

Finalmente, para entender como as frequências de alelo mudam nas populações, experimentos de evolução podem ser realizados. Esses experimentos exigem que um grupo de organismos seja cultivado sob uma pressão seletiva, como uma única fonte de alimento, ao longo de várias gerações. Os pesquisadores podem então avaliar se e quando surgem mutações benéficas, e se e como essas mutações se estabelecem em uma população.

Agora, vamos examinar algumas aplicações atuais dessas ferramentas genéticas.

Alguns pesquisadores estão aplicando telas em organismos sem ferramentas genéticas moleculares estabelecidas, como a bactéria patogênica Clamídia. Aqui, as células primatas foram primeiramente infectadas com essas bactérias, e posteriormente expostas a um mutagênico. Os genomas das bactérias mutantes da Clamídia foram então sequenciados para identificar mudanças específicas de nucleotídeos. Usando essa técnica, os pesquisadores identificaram mutações que resultaram na forma de bactérias em forma de "placas" em culturas de células de mamíferos, possivelmente refletindo defeitos em processos infecciosos.

Outros cientistas estão combinando telas genéticas e cruzes para entender as interações genéticas. Neste experimento, geneticistas cruzaram uma variedade mutante de levedura de interesse com uma biblioteca de mutantes de exclusão. Os mutantes duplos resultantes foram examinados por eles crescendo nas mesmas condições, e sua taxa de crescimento foi avaliada para obter uma medida para a aptidão dos mutantes. A partir desses dados, os pesquisadores determinaram que, em mutantes duplos, a presença de uma mutação poderia ocasionalmente melhorar ou suprimir os efeitos do outro.

Finalmente, os cientistas estão desenvolvendo ferramentas experimentais para estudar as forças que moldam a genética populacional. Aqui, um dispositivo chamado quimiostat é usado para que micróbios, como a levedura, possam ser cultivados em condições constantes. Os pesquisadores realizaram um ensaio de competição para demonstrar que uma mutação deu à levedura uma vantagem de aptidão sob certas condições de crescimento. Além disso, foi realizado um experimento de evolução onde a levedura foi permitida a se adaptar a condições de baixo nitrogênio, e mutações em vias de metabolismo de nitrogênio, que presumivelmente conferiu melhor aptidão, foram identificadas por toda a análise do genoma.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à genética de indivíduos e populações. Neste vídeo, revisamos destaques históricos e questões-chave no campo da genética, ferramentas genéticas proeminentes e algumas aplicações atuais dessas técnicas. Como sempre, obrigado por assistir!