Genética mendeliana

As leis da herança derivam dos trabalhos de Gregor Mendel, um monge agostiniano que viveu no Império Austro-Húngaro no Século XIX, que realizou experimentos de hibridação com diferentes raças de ervilhas de jardim (Pisum sativum). Entre 1856 e 1863, cultivou e testou cerca de 29.000 plantas de ervilha. Destes experimentos deduziu duas generalizações, que mais tarde se conheceriam como princípios da herança de Mendel ou leis de Mendel. Mendel descreveu estes princípios num artigo que tinha duas partes, intitulado Experimentos sobre a hibridização de plantas, que leu na Sociedade de História Natural de Brno (hoje na República Checa) em 1865, e que foram publicados em 1866. As conclusões de Mendel não tiveram muita repercussão na comunidade científica e foram ignoradas durante muito tempo. Embora não fossem completamente desconhecidas pelos biólogos do seu tempo, não parecia que fossem aplicáveis de forma generalizada, e mesmo o próprio Mendel pensava que só se aplicavam a certos tipos de espécies ou carateres. O principal obstáculo para compreender a sua importância foi a relevância que se dava no século XIX à aparente mistura dos carateres herdados que se tinha comprovado em certos casos (carateres quantitativos), que agora sabemos que se deve a interações poligénicas, em comparação com os carateres binários específicos de um órgão que Mendel estudou. Contudo, em 1900, o seu trabalho foi "redescoberto" pelos cientistas, Hugo de Vries, Carl Correns, e Erich von Tschermak. A natureza exata deste "redescobrimento" foi debatida: De Vries publicou primeiro sobre este assunto, mencionando Mendel numa nota de rodapé, e Correns indicou a prioridade de Mendel depois de ler a publicação de De Vries. Pode ser que De Vries não reconhecesse verdadeiramente quanto dos seus conhecimentos sobre as leis vinha do seu próprio trabalho e quanto vinha da leitura dos artigos de Mendel. Alguns estudiosos posteriores acusaram Von Tschermak de não ter compreendido os resultados de todo.

Mendel escolheu o Pisum sativum como organismo modelo porque tinha as seguintes vantagens: baixo preço, tempo de geração curto, elevado índice de descendência, diversas variedades dentro da mesma espécie (cor, forma, tamanho, etc.) e posse de carateres diferenciais constantes. Pisum sativum é uma planta autógama, ou seja, que se autofecunda, o que pode alterar os experimentos. Mendel evitou as autofecundações cortando-lhes as anteras. Assim, pôde cruzar exclusivamente as variedades que ele desejava. Também cobriu com sacos as flores para proteger os híbridos do pólen não controlado durante a floração. Levou a cabo um experimento controlo realizando cruzamentos durante duas gerações sucessivas por autofecundação para obter linhas puras (homozigotas) para cada carater. Mendel levou a cabo a mesma série de cruzamentos em todos os seus experimentos. Cruzou duas variedades ou linhas puras diferentes respeito de um ou mais carateres. Como resultado obtinha a primeira geração filial (F1), na qual observou a uniformidade fenotípica dos híbridos. Posteriormente, a autofecundação dos híbridos da F1 deu lugar à segunda geração filial (F2), e assim sucessivamente. Também realizou cruzamentos recíprocos, isto é, alternava os fenótipos das plantas parentais (a que proporcionava o pólen e a que proporcionava o oócito):

Mendel descobriu que quando se cruzam ervilhas de flores brancas e púrpuras, o resultado não é uma mistura, mas sim que a descendência tem flores púrpuras. Concebeu então a ideia da existência de unidades hereditárias, que denominou "fatores", um dos quais é uma caraterística recessiva e a outra dominante. Mendel disse que os fatores, depois chamados genes, normalmente aparecem em pares nas células somáticas ordinárias, mas que segregam (separam-se) durante a formação das células sexuais. Cada membro do par acaba situado em células sexuais (gametas) separadas. O gene dominante, como o púrpura da flor da ervilha, oculta a presença do gene recessivo, o de flor branca. Uma vez que Mendel autofecundou a geração F1 e obteve a proporção 3:1 na descendência, teorizou corretamente que os genes podem emparelhar-se de três maneiras para cada carater: AA, aa, e Aa. A letra "A" maiúscula representa o fator dominante e a minúscula o recessivo, "a". A combinação Aa aparece com dupla frequência do que qualquer das outras duas, já que pode originar-se de duas formas: Aa ou aA.

Há duas formas de numerar as leis de Mendel, uma que considera só duas leis e outra que considera três. Na realidade, as leis que explicam a transmissão dos carateres são só duas: lei da segregação (ou 1.ª lei de Mendel) e lei da distribuição independente (ou 2.ª lei de Mendel). Estas duas são as que geralmente se consideram como leis nos livros de nível avançado de Genética. Contudo, é frequente, sobretudo em cursos e livros mais elementares, explicar as leis de Mendel adicionando também a lei da uniformidade, que é muito útil para explicar a dominância e recessividade dos carateres, mas que não é propriamente uma lei de transmissão. Se adicionamos esta lei, a numeração habitual é esta: Lei da uniformidade ou 1.ª lei de Mendel, lei da segregação ou 2.ª lei de Mendel e lei da distribuição independente dos carateres ou 3.ª lei de Mendel. Como se vê, segundo se utilize a numeração com três leis ou com duas o ordinal varia, já que a lei da segregação seria a 1.ª lei no sistema de duas leis e a 2.ª lei no sistema de três leis, e a lei da distribuição independente seria a 2.ª lei no sistema de duas leis e a 3.ª lei no sistema de três leis.

Esta lei é utilizada para explicar a dominância e não é propriamente uma lei de transmissão dos carateres, mas sim da expressão do fenótipo, pelo que não se enuncia nem numera em muitas exposições das leis de Medel. Diz assim: Se cruzarmos duas raças puras (homozigotas) distintas para um determinado carater, todos os filhos serão fenotipicamente iguais (uniformidade da F1) e todos heterozigotos. Se no carater há dominância de um dos alelos, o fenótipo de todos os filhos será o fenótipo dominante (também há casos, nalguns carateres, de herança intermédia, na qual todos os filhos seriam de fenótipo intermédio). Por exemplo, nas ervilhas no carater "cor da flor" há dois alelos, o A (púrpura e dominante) e o a (branco e recessivo). Se cruzarmos ervilhas de flores púrpuras (AA) e brancas (aa), obteremos filhos que serão todos do fenótipo dominante púrpura e todos Aa (heterozigotos).

Os dois alelos de um gene que possui um organismo diploide segregam (separam-se) durante a formação dos gametas haploides na meiose, de modo que os gametas só levam aleatoriamente um dos alelos, mas estes voltam a unir-se durante a fecundação aleatória dos gametas, na qual se volta a formar um zigoto diploide. Deste modo, se cruzarmos, por exemplo, dois heterozigotos Aa, formar-se-ão gametas A e a, que se unirão na fecundação formando três indivíduos filhos possíveis: aa, Aa e AA. As proporções em que aparecem (proporções genotípicas) serão 1 aa : 2 Aa : 1 AA. Se o alelo A é o dominante, as proporções fenotípicas serão de 3:1 a favor do fenótipo de A. Portanto, a dominância do alelo determinará a expressão do fenótipo na descendência. A prova direta de que os gametas recebem um alelo veio com o estudo da meiose feito pelo botânico alemão Oscar Hertwig em 1876, e o zoólogo belga Édouard Van Beneden em 1883. Na meiose, os cromossomas materno e paterno separam-se e acabam (junto com o alelo que levam) em distintos gametas.

Os alelos de genes diferentes distribuem-se com total independência um do outro durante a formação dos gametas. Dito de outro modo, os genes separados que determinam dois carateres distintos são herdados de forma independente um do outro. Esta lei cumpre-se quando os genes não têm "ligamento genético" entre si, ou seja, quando estão em distintos cromossomas, mas se estão no mesmo cromossoma não se cumpre. Esta lei indica que se estamos a estudar dois carateres ao mesmo tempo, por exemplo a cor das ervilhas e o tipo de superfície das ervilhas, a cor vai ser herdada de forma totalmente independente do tipo de superfície, sem que se influenciem um no outro. Deste modo, se estudarmos ao mesmo tempo a herança dos carateres A e B, e cruzarmos dois dihíbridos (heterozigotos para os dois carateres), ou seja, dois indivíduos que são ambos AaBb, formar-se-ão os gametas haploides AB, Ab, aB e ab, que se fecundarão aleatoriamente originando filhos que estarão na proporção fenotípica 9:3:3:1, é dizer, há 9 que têm fenótipo dominante para os dois carateres, 3 que têm fenótipo dominante para o primeiro carater e recessivo para o segundo, 3 que têm fenótipo recessivo para o primeiro carater e dominante para o segundo, e só 1 que tem fenótipo recessivo para os dois carateres. Mas a distribuição independente manifesta-se quando contamos os fenótipos de cada carater separadamente e vemos que há uma proporção de 3:1 nos dois casos, tal como se esperava segundo a lei da segregação. Por exemplo, se estudarmos o carater "cor das ervilhas" (pode ser amarelo ou verde, com o amarelo dominante) e ao mesmo tempo o carater "tipo de superfície" (pode ser lisa ou rugosa, com o liso dominante), e cruzarmos ervilhas dihíbridas amarelas lisas (AaBb x AaBb) obteremos 9 amarelas e lisas (os carateres dominantes), 3 amarelas e rugosas, 3 verdes e lisas e 1 verde e rugosa (proporção 9:3:3:1). Mas isto faz uma proporção de 3 lisas por cada 1 rugosa (3:1) e de 3 amarelas por cada 1 verde (3:1).

Um carater mendeliano é um carater genético que está controlado por um só locus genético e mostra um padrão de herança mendeliano. Nestes carateres, uma mutação num só gene pode causar, se for prejudicial, uma doença que será herdada segundo as leis de Mendel. São exemplos a anemia falciforme, a doença de Tay-Sachs, a fibrose quística e o xeroderma pigmentoso. As doenças que dependem de um só gene contrastam com as doenças multifatoriais, como a artrite, que são afetadas por vários loci (e pelo ambiente) e com as doenças que são herdadas de modo não mendeliano. A base de dados Mendelian Inheritance in Man contém, entre outras coisas, um catálogo dos genes nos quais os carateres mendelianos podem causar doenças.

Mendel descreveu dois tipos de "fatores" (genes) de acordo com a sua expressão fenotípica na descendência, os dominantes e os recessivos, mas existe outro fator a ter em conta em organismos dióicos e é o facto de que os indivíduos do sexo feminino têm dois cromossomas X (XX) enquanto que os masculinos têm um cromossoma X e um Y (XY), de tal forma que se podem distinguir quatro modos ou "padrões" segundo os quais se pode transmitir uma mutação simples:

As segregações esperadas segundo as leis de Mendel podem ser alteradas pelos seguintes fenómenos: herança ligada, influenciada ou limitada pelo sexo, inativação de um dos cromossomas X, penetrância, expressividade, pleiotropismo, heterogeneidade genética, letalidade de genes, e aparecimento de novas mutações nos gametas dos progenitores. Além destes fatores, há outros que não cumprem as leis de Mendel devido ao ligamento de genes (genes situados no mesmo cromossoma que se herdam juntos) e à herança não mendeliana.