Recombinação genética

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Meiose - cromossomos se condensam e pareiam durante a divisão celular para realizar a recombinação

A recombinação genética é o nome dado a um conjunto de reações durante o qual a maquinaria celular usa o ADN para alterar ou "recombina" com uma sequência similar (homóloga). O processo envolve o emparelhamento entre fitas complementares de ADN, e resulta em uma troca física de material cromossômico. A informação genética é recombinada pelas células, por várias razões, incluindo a reparação do ADN danificado, e a produção de variabilidade da população durante a reprodução sexual. Em alguns casos, a recombinação é conhecida por alterar genes, acrescentando novos alelos para a população.

Os criacionistas geralmente acreditam que esse mecanismo foi projetado para gerar a enorme variedade que é evidente dentro de cada tipo bíblico, enquanto que os evolucionistas atribuem tal variabilidade, em última análise, a mutagênese aleatória.[1] No entanto, muitos criacionistas afirmam que os processos de recombinação não acrescentam nada de novo para o pool genético. Jonathan Sarfati afirma:

Os biólogos descobriram uma série de mecanismos que podem provocar alterações radicais na quantidade de ADN possuída por um organismo. Duplicação de genes, poliploidia, inserções, etc, não ajudam a explicar a evolução, no entanto. Eles representam um aumento na quantidade de ADN, mas não um aumento na quantidade de informação genética funcional—esses mecanismos não criam nada de novo.[2]

Pano de fundo

A posição em que o gene está localizado no cromossoma é chamado de lócus. Em um dado indivíduo, se pode encontrar duas versões diferentes deste gene num locus particular. Estas formas alternativas de genes são chamados alelos. Durante a meiose I,quando os cromossomas, se alinham ao longo da placa de metafase, os dois filamentos de um par de cromossomas podem cruzar fisicamente um sobre o outro e, durante esses acontecimentos a recombinação genética, é realizada pela célula.[3]

A recombinação resulta em um novo arranjo de alelos maternos e paternos no mesmo cromossomo. Embora os mesmos genes apareçam na mesma ordem, os alelos são diferentes. Esse processo explica porque descendentes dos mesmos pais podem parecer tão diferentes. Desta forma, é teoricamente possível ter qualquer combinação de alelos parentais numa descendência, e o fato de dois alelos aparecerem juntos em uma descendência não tem qualquer influência sobre a probabilidade estatística de que uma outra descendência terá a mesma combinação. Esta teoria da "segregação independente" de alelos é fundamental para a herança genética. No entanto, tendo dito isso, há uma exceção que exige uma discussão mais aprofundada.[3]

A freqüência de recombinação na verdade não é a mesma para todas as combinações de genes. Isto é porque a recombinação é grandemente influenciada pela proximidade de um gene com o outro. Se dois genes estão localizados próximos uns dos outros sobre um cromossoma, a probabilidade de que um evento de recombinação vá separar estes dois genes é menor do que se estivessem mais distantes. A vinculação descreve a tendência dos genes a ser herdados em conjunto como resultado da sua localização no mesmo cromossoma. Desequilíbrio de vinculação descreve uma situação na qual algumas combinações de genes ou marcadores genéticos ocorrem mais ou menos frequentemente na população do que seria esperado a partir de suas distâncias separadas. Os cientistas aplicam este conceito na busca de um gene que pode causar uma doença particular. Eles fazem isto através da comparação da ocorrência de uma sequência de ADN específica, com o aparecimento de uma doença. Quando eles encontram uma alta correlação entre os dois, eles sabem que estão ficando mais perto de encontrar a seqüência de gene apropriado.[3]

Pressupostos evolucionários

Cromossomos têm genes dispostos ao longo de seu comprimento. Durante a meiose, acredita-se que a função pretendida da recombinação é deixar inalterados os genes existentes, realizando a reacção nas regiões neutras entre os quadros de leitura.
A recombinação em genes é capaz de criar novos alelos, no entanto, tem sido assumido que esta não é a intenção da célula e se acredita que quaisquer alterações na seqüência dos genes são mutações resultantes de erros durante a recombinação ou replicação.

A teoria da evolução tem levado à suposição de que a recombinação originalmente ocorria por engano, em vez de ser um processo inteligentemente concebido. Durante a reprodução sexual, gametas (óvulos, esperma) são produzidos durante o processo de divisão celular chamado meiose. Antes da divisão meiótica, cromossomos homólogos se unem no eixo da célula antes de se dividir para pólos opostos. Se acredita, que este emparelhamento homólogo, era executado originalmente simplesmente para garantir uma divisão equivalente da informação genética. Mas, uma troca de ADN ocorreu acidentalmente durante este processo, o que proporcionou a variabilidade benéfica e foi naturalmente selecionada para se tornar uma parte regular da formação de gametas. Permanece em geral assumido que os eventos de recombinação são bastante aleatória, e, por conseguinte, os fenótipos produzidos por estas reações são também.[1]

O ADN utilizado para a recombinação meiótica possui homologia ou sequências que são muito semelhantes, e também código de variações da mesma característica. Antes do ADN cromossômico ser distribuído em novas células-filhas, os homólogos emparelhar e são emendados (spliced) em vários locais. Durante essas interações, regiões inteiras e muitos genes são freqüentemente trocados. Estes cruzamentos genéticos são comummente utilizados para deduzir a posição relativa de genes em cromossomas, e assim construir mapas genéticos. Ao contrário do que os pressupostos evolutivos, a finalidade para essas manipulações foi pré-programada pelo criador. Descendentes são sempre geneticamente únicos devido à recombinação, mas só temos sido capazes de reconhecer os produtos mais óbvios dessas reações, e os resultados desejados permanecem em grande parte teóricos. No entanto, é agora claro que a recombinação é uma poderosa fonte de novos alelos[1]

Nosso conhecimento da recombinação vem predominantemente da bactéria E. coli, e o seu efeito durante a reprodução sexual (meiose) tem sido estudado principalmente utilizando eucariotas inferiores como a levedura de padeiro, bem como as moscas da fruta. Trabalhos recentes com camundongos tem proporcionado informações adicionais a partir de mamíferos, e mostrou que existem diferenças substanciais entre organismos unicelulares e pluricelulares. Entretanto, como na maioria dos mecanismos de limpeza celular, os detalhes básicos e muitos genes envolvidos na recombinação homóloga (RH) aparecem conservados entre a multidão de formas de vida na Terra.[4] É hoje amplamente reconhecido que as edições genéticas através de RH são parte de um processo altamente coordenado envolvendo uma cascata de interações de macromoléculas específicas,[5] e controladas por sistemas reguladores altamente organizados.[6] Em particular, a indução de recombinação durante a meiose é dependente de vários genes, e é regulada por uma complexa rede de mecanismos de sinalização de células.[7]

Recombinação não-aleatória

Desde sua descoberta e uso na construção de mapas genéticos, assumiu-se que os crossovers nos genes durante a meiose ocorreram em intervalos aleatórios ao longo dos cromossomos. Acreditava-se que a freqüência de crossovers nos genes estava diretamente relacionada com a distância entre os genes, mas uma variedade de descobertas têm ilustrado a existência de taxas de recombinação diferenciais e padrões, e forçou uma revisão dos mapas de distâncias. Agora, é um fato bem conhecido que a freqüência de recombinação não é constante em quaisquer células em particular. Reações ocorrem mais freqüentemente em algumas regiões do genoma do que em outras, com variações de várias ordens de magnitude observadas. Estas regiões hiperativas têm sido denominadas como "pontos quentes" em oposição a inertes "pontos frios", onde pouca ou nenhuma troca é encontrada.[8]

As freqüências de eventos de recombinação também são não aleatórias. As taxas são encontradas sendo significativamente mais elevadas quando se compara as células germinativas com as células somáticas. Por exemplo, freqüências de recombinação mitótica no fungo Ustilago maydis tem sido estimadas em 2.9 x 107; enquanto que, na meiose as taxas estão perto de 1.9 x 103. Diferenças específicas de cada sexo na freqüência de recombinação também foram elucidadas. Análise de ligação padrão foi utilizada para confirmar que as mulheres têm uma taxa de recombinação mais elevada do que os homens, e os machos se recombinam preferencialmente nas regiões distais do cromossomo. Estas e outras técnicas foram utilizadas separadamente para estabelecer a existência de variação inter-individual significativa na recombinação em intervalos curtos.[9] Ainda outros pesquisadores demonstraram efeitos de fundo sobre a freqüência de recombinação utilizando técnicas de positividade para avaliar padrões de troca meióticos. Agora foi encontrado em muitos casos, que os eventos de cruzamento estão distribuídos de forma não aleatória e exibem interferência positiva.[10]

Além da trocas durante a divisão celular, a recombinação homóloga (RH) está envolvida com muitas outras formas de edição de ADN genômico. Por exemplo, a recombinação é induzida ou desligada como uma função pré-programada de células durante a diferenciação e desenvolvimento. É também utilizada para realizar a reparação livre de erros do ADN, que, neste caso, serve para evitar a variabilidade não intencional. Na verdade, a RH mantém a integridade do genoma através da correção de vários tipos de danos no ADN.[7] A recombinação homóloga é estimulada por quebras de cadeia dupla em qualquer fase do ciclo celular, e é também responsável pela realização de deleções, duplicações e translocações entre homólogos dispersos, que são muitas vezes uma resposta ao stress.[11] Os detalhes específicos ou homologia de sequência exata necessários para a recombinação permanecem largamente desconhecidos, mas a multiplicidade de funções realizadas por essas reações elevou-os para a posição de mestre mecânico responsável por praticamente todas as formas de edição de seqüência e de manutenção.

Novos alelos

Há uma nova classe interessante de RH só recentemente reconhecida que compartilha mecanismos comuns com crossovers meióticos, e é provavelmente responsável pela formação de novos alelos. O processo conhecido como conversão gênica usa modelos de ADN para editar seqüências ativas. Durante este processo, os pseudogenes anteriormente referidos como ADN-lixo são freqüentemente usados ​​para fazer essas alterações.[12] As conversões de genes podem ser facilmente distinguidas dos cruzamentos, na maioria dos casos, uma vez que só um dos homólogos é alterado. Está agora bem documentado que a recombinação mitótica através de conversão de genes é capaz de criar células geneticamente alteradas, e os investigadores têm sugerido que este processo pode gerar um gene com novas funções pelo rearranjo de várias partes das sequências de leitura parentais.[13] O ADN também é reparado através da conversão, quando uma cópia intacta da cromátide irmã ou cromossoma homólogo é utilizada para substituir a região danificada. A conversão gênica está agora a ser entendida responsável por realizar muitas alterações que foram previamente atribuídas a mutações ou outros mecanismos de reparação.

Crossing-over é uma troca de sequências entre duas regiões homólogas, mas, durante a conversão do gene apenas um dos homólogos é alterado. Regiões em qualquer outro local no mesmo cromossoma em vez disso são tipicamente usadas para converter o gene, e, assim, introduzir novos alelos na população. Este mecanismo é responsável pela criação de novos alelos em imunoglobulinas, os loci MHC, e outros.

Genes variáveis

A diversificação dentro de uma população ocorre porque os genes envolvidos na produção de características existem como uma variedade de alelos, e, portanto, as características são polimórficas ou disponíveis em mais do que uma forma. Espécies estreitamente relacionadas são comumente encontradas com número de alelos extremamente elevado. Por exemplo, o locus do gene cystathionine ß-synthase tem sido intensamente estudado em humanos, e o Éxon 8, em particular, tem uma alta freqüência de alterações em um único nucleotídeo. Estima-se que cerca de 5% dos humanos caucasianos possuem variações nesta região.[14] Os evolucionistas geralmente assumem que novos alelos são o resultado de mutações aleatórias que se acumularam gradualmente ao longo de milhões de anos. No entanto, as populações que vivem foram testadas somente décadas após gargalos genéticos severos vindo a encontrar uma surpreendentemente alta diversidade genética. Isto sugere fortemente um mecanismo para restaurar rapidamente a variabilidade, e ainda essa possibilidade ainda não foi adequadamente explorada. Contudo, uma explicação para esta contínua diversidade foi sugerida, quando se descobriu que muitos genes em cada genoma são altamente diversificados (hipervariáveis) em comparação com os outros.

Nem todos os genes são variáveis. A maioria dos genes no genoma estão envolvidos com funções de manutenção, e são comumente encontrados inalterados, mesmo quando se comparam os organismos muito diferentes. Em contraste, genes variáveis ​​mudam significativamente de uma geração para a seguinte e apresentam padrões não aleatórios dentro de um determinado gene.[15] A caracterização de genes variáveis ​​até o momento sugere esmagadoramente que essa diversidade é produzida de forma sistemática através da conversão genética enquanto sob firme controle celular. Por exemplo, os genes variáveis ​​têm pontos quentes e frios de atividade semelhantes aos encontrados entre os crossovers de genes na meiose.[16] Eles também frequentemente têm uma maior diversidade de regiões neutrais entre os quadros de leitura.[17] Do mesmo modo tornou-se evidente que os genes variáveis retêm códons em locais específicos dentro da região variável. [18] Uma preponderância de substituições não sinônimas sobre as sinônimas forneceu ainda mais provas contra aleatoriedade.[19] É cada vez mais questionável que a variabilidade é o resultado de mutações aleatórias como comumente reivindicados por evolucionistas.

Adaptação

A adaptação a um habitat ou nicho envolve modificações largamente não caracterizadas do genoma, e muito do que aprendemos sobre a hereditariedade genética veio de teóricos que não acreditam que a célula foi projetada para realizar tais mudanças com intenção. A capacidade da célula para produzir novos alelos provavelmente permaneceu mal compreendida por muito tempo, porque os produtos destas reações estão sendo atribuída a uma fonte, que é independente de propósito celular (mutações). Os mecanismos subjacentes a este tipo de conversão de genes ainda não está compreendido, mas ilustra claramente a capacidade da célula para editar especificamente seus genes e assim multiplicar rapidamente o número dos alelos numa população. Posterior caracterização deve provar ser evidência valiosa que o projeto celular regula a produção de variabilidade genética e a evolução adaptativa que ocorre como resultado.

Referências

  1. 1,0 1,1 1,2 .Genetic Variability by Design by Chris Ashcraft. Journal of Creation 18(2) 2004.
  2. Sarfati, Jonathan. Refuting Evolution 2 Chapter 5 - Argument: Some mutations are beneficial. Greenforest AR: Master Books, 2002. (p104)
  3. 3,0 3,1 3,2 What is a Cell? pelo National Center for Biotechnology Information
  4. Regulation of meiotic recombination and prophase I progression in mammals Cohen P.E. & Pollard J.W. BioEssays 23:996-1009 (2001)
  5. Cascades of Non-covalent Protein-protein and Protein-DNA Interactions for Homologous DNA Recombination Takehiko Shibata. RIKEN Review 46:24-28 (2002)
  6. Hierarchic Regulation of Recombination Kunihiro Ohta. RIKEN Review 41:28-29 (2001)
  7. 7,0 7,1 Homologous genetic recombination as an intrinsic dynamic property of a DNA structure induced by RecA/Rad51-family proteins: a possible advantage of DNA over RNA as genomic material Shibata, T., Nishinaka, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98(15):8425-8432 (2001)
  8. Meiotic recombination hotspots Lichten, M. & Goldman, A.S.H. Annu. Rev. Genet. 29:423-444 (1995)
  9. Counting Cross-overs; Characterizing Meiotic Recombination in Mammals Terry Hassold. Human Molecular Genetics 9(16):2409-2419 (2000)
  10. Genetic control of Mammalian meiotic recombination. I. Variation in exchange frequencies among males from inbred mouse strains Koehler KE, Cherry JP, Lynn A, Hunt PA, Hassold TJ. Genetics 162(1):297-306 (2002)
  11. Homologous Recombination as a Mechanism for Genome Rearrangements: Environmental and Genetic Effects Alexander Bishop. Human Molecular Genetics 9(16):2427-2434 (2000)
  12. The chicken B cell compartment Weill JC, Reynaud CA. Science 238(4830):1094-1098 (1987)
  13. Functions of Homologous DNA Recombination Takehiko Shibata. RIKEN Review 41:21-23 (2001)
  14. Allozyme evidence for crane systematics and polymorphisms within populations of sandhill, sarus, Siberian and whooping cranes. Dessauer, H. C., G. F. Gee, and J. S. Rogers. Molecular Phylogenetics and Evolution 1:279-288 (1992)
  15. Creation of immunoglobulin diversity by intrachromosomal gene conversion. Thompson, C. B. Trends in Genetics 8:416-422 (1992)
  16. The targeting of somatic hypermutation Jolly, C.J. et al. Seminars in Immunology 8:159-168 (1996)
  17. Gene conversion generates hypervariability at the variable regions of kallikreins and their inhibitors. Ohta, T. and C. J. Basten. Molecular Phylogenetics and Evolution 1:87-90 (1992)
  18. Position-specific codon conservation in hypervariable gene families Conticello, S. G., Y. Pilpel, G. Glusman, and M. Fainzilber.Trends Genet. 16:57­59 (2000)
  19. Mechanisms for Evolving Hypervariability: The Case of Conopeptides Conticello, S. G., Gilad, Y., Avidan, N., Ben-Asher, E., Levy, Z., Fainzilber, M. Mol Biol Evol 18:120-131 (2001)