Genética e Melhoramento Genético

1. Importância da Genética, Evolução e Especiação (AULA 1)

A genética é a ciência que estuda a transmissão de características hereditárias de pais para filhos ao longo das gerações. Sua importância abrange diversas áreas:

• Identificação e Criminalística: Aplicada em testes de paternidade e identificação de criminosos.
• Biotecnologia: Essencial para o desenvolvimento de técnicas como DNA recombinante e clonagem.
• Estudo da Herança e Variação: Responsável pela vasta diversidade de formas de vida, permitindo estudos filogenéticos e evolutivos.
• Genética do Desenvolvimento: Compreensão de como organismos se desenvolvem a partir de uma única célula.
• Agricultura e Medicina Veterinária: Aplicação na produção de alimentos de melhor qualidade e de forma mais rentável.
• Projetos Genomas: Estudo completo do material genético de diferentes espécies, como rato (cerca de 30 mil genes), mosca das frutas (15 mil genes) e humano (35 mil genes, 3 bilhões de pares de bases). Observa-se alta semelhança genética entre humanos e outros organismos, como chimpanzés (98%) e ratos (92%).
• Dogma Central da Biologia Molecular: Descreve o fluxo da informação genética (DNA -> RNA -> Proteína).

As aulas também introduzem as Teorias Evolutivas, contrastando a Hipótese Fixista/Criacionismo com a Hipótese Evolucionista.

2. Herança Mendeliana (AULA 2)

Gregor Mendel utilizou ervilhas (Pisum Sativum) em seus experimentos devido a características favoráveis. Através de polinização artificial e cruzamentos controlados, ele estudou a transmissão de características. Suas observações de cruzamentos entre linhagens puras (ex: ervilha verde x ervilha amarela) levaram à dedução de que certas características (alelo) dominam sobre outras.

Conceitos Básicos da Genética Mendeliana:

• Genética: Ciência que estuda a transmissão de características hereditárias.
• Gene: Segmento de DNA que determina uma característica e contém informação para a síntese de um polipeptídeo.
• Locus Gênico: Local específico do cromossomo onde um gene se localiza.
• Genes Alelos: Genes que ocupam o mesmo locus em cromossomos homólogos. Podem ser diferentes devido a mutações.
• Gene Dominante: Possui maior expressividade, sempre se expressa. Representado por letras maiúsculas (A, B, etc.).
• Gene Recessivo: Possui menor expressividade, não se expressa na presença do dominante. Representado por letras minúsculas (a, b, etc.). Só se expressa em homozigose recessiva (aa).
• Homozigoto (Puro): Indivíduo com dois genes alelos iguais para uma característica (AA – Dominante, aa – Recessivo).
• Heterozigoto (Híbrido): Indivíduo com dois genes alelos diferentes para uma característica (Aa). Em heterozigose, o gene dominante impede a expressão do gene recessivo.
• Genótipo: A constituição gênica de um indivíduo, seja para um par de alelos específico ou para o conjunto total de genes (pool gênico).
• Fenótipo: A aparência física de um organismo. É o resultado da interação do genótipo com o meio ambiente. Um mesmo genótipo pode resultar em fenótipos diferentes dependendo do ambiente (Ex: cor da pele, influenciada pela exposição solar).

Gerações nos Cruzamentos de Mendel:

• Geração Parental (P): Constituída por linhagens puras.
• Primeira Geração Híbrida (F1): Descendentes imediatos do cruzamento P.
• Segunda Geração Híbrida (F2): Descendência da autofecundação da F1.

Primeira Lei de Mendel (Lei da Segregação):

• Enunciado: “Cada caráter é condicionado por dois genes, um deles proveniente do pai e o outro da mãe. Apenas um dos dois genes é fornecido a cada gameta produzido.“.
• Isso significa que os alelos para uma característica se separam (segregam) durante a formação dos gametas, de modo que cada gameta carrega apenas um alelo de cada par.
• Um cruzamento-teste é usado para determinar se um indivíduo com fenótipo dominante é homozigoto dominante ou heterozigoto. Envolve cruzar o indivíduo desconhecido com um indivíduo homozigoto recessivo.

Segunda Lei de Mendel (Lei da Segregação Independente):

• Enunciado: “Genes que determinam características diferentes distribuem-se aos gametas de maneira totalmente independente formando todas as combinações possíveis.“.
• Mendel estudou dois pares de caracteres simultaneamente (Ex: cor e forma da ervilha). No cruzamento entre linhagens puras amarelas/lisas (VVRR) e verdes/rugosas (vvrr), a F1 (VvRr) era 100% amarela e lisa.
• No cruzamento da F1 consigo mesma (VvRr x VvRr), ele obteve na F2 uma proporção fenotípica de 9:3:3:1 (9 amarelas/lisas, 3 amarelas/rugosas, 3 verdes/lisas, 1 verde/rugosa).
• As hipóteses para explicar este resultado incluem a segregação independente dos alelos de diferentes genes durante a formação dos gametas.
• O número de tipos de gametas que um indivíduo pode formar é dado pela fórmula 2ⁿ, onde n é o número de pares heterozigotos no genótipo.

3. Divisão e Multiplicação Celular (AULA 3) e Estrutura do DNA (AULA 4)

As células se dividem por Mitose ou Meiose.

• Mitose: Uma célula-mãe diploide origina duas células-filhas diploides idênticas. Permite o crescimento e a substituição de células mortas. Ocorre na maioria das células somáticas.
• Meiose: Uma célula-mãe diploide sofre duas divisões (Meiose I e Meiose II) originando quatro células-filhas haploides. A Meiose I separa cromossomos homólogos, e a Meiose II separa cromátides irmãs. Ocorre na formação dos gametas (células reprodutivas).
• A Replicação do DNA precede a divisão celular.

A informação genética está contida na molécula de DNA.

• O DNA é formado por nucleotídeos, que contêm uma base nitrogenada (Adenina A, Timina T, Citosina C, Guanina G), uma pentose (desoxirribose) e um grupo fosfato.
• Um gene é um fragmento de DNA representado por uma sequência de bases nitrogenadas. Os genes determinam as características hereditárias.
• O Dogma Central da Biologia Molecular descreve o fluxo de informação: Replicação (DNA -> DNA), Transcrição (DNA -> RNA), Tradução (RNA -> Proteína). O Splicing é um processo relacionado à Transcrição.

4. Mutação (AULA 5)

Mutações são alterações no material genético. Elas podem ser espontâneas e ter diferentes efeitos:

• Silenciosas: Não alteram a proteína ou sua função.
• Letais: Causam a morte do organismo.
• Acarretar Doenças ou Anomalias.
• Recombinação é diferente de Mutação.

As mutações podem ocorrer:

• Nas células somáticas (durante a mitose), afetando as células descendentes e podendo resultar em tumores.
• Na formação dos gametas (meiose), nas células da linhagem germinativa, sendo transmitidas hereditariamente.

Existem diferentes tipos de mutação, incluindo Mutações Gênicas (ex: Anemia falciforme, alteração nos glóbulos vermelhos) e Mutações Cromossômicas. As aulas também listam doenças genéticas comuns em cachorros, como Displasia Coxofemoral, Cardiomiopatia Dilatada, Atrofia Progressiva da Retina, entre outras.

5. Herança Extracromossômica, Herança Ligada ao Sexo, Epistasia, Pleiotropia (AULA 6)

Além da herança mendeliana clássica, existem outros padrões de herança:

• Cromossomos Sexuais (Alossomos): Em mamíferos, XX (feminino) e XY (masculino). Cromossomos Autossomos são os não sexuais.
• Herança Ligada ao Sexo: Relacionada a genes localizados no cromossomo X. Ocorre em ambos os sexos, mas a frequência ou expressão pode ser diferente (ex: Daltonismo, Hemofilia, caracteres recessivos mais comuns em homens).
• Herança Restrita ao Sexo (Holândrica): Relacionada a genes localizados no cromossomo Y. Ocorre apenas no sexo masculino (ex: Hipertricose Auricular).
• Herança Influenciada pelo Sexo: Genes localizados em cromossomos autossômicos, mas cuja expressão é influenciada pelos hormônios sexuais. A característica pode se comportar como dominante em um sexo e recessiva no outro (ex: Calvície, dominante em homens e recessiva em mulheres, afetando mais homens devido à testosterona).

Outras interações gênicas incluem:

• Pleiotropia: Propriedade de um único gene determinar mais de uma característica fenotípica. Exemplo: O gene da pigmentação em gatos, onde a cor branca e olhos azuis podem estar associados à surdez.
• Epistasia: Ocorre quando a expressão de um gene (chamado epistático) em um locus afeta a expressão de alelos de outro gene (chamado hipostático) em outro locus. Alelos de um gene inibem a manifestação de outros. Exemplo clássico é a cor da pelagem em cães, onde um gene (E) pode inibir a expressão do gene da cor (B), resultando em cães dourados mesmo que possuam alelos para pelagem preta ou marrom. O cruzamento de duplos heterozigotos neste caso (BbEe x BbEe) resulta em uma proporção fenotípica modificada de 9:3:4 (9 pretos, 3 marrons, 4 dourados).

6. Genética Quantitativa (AULA 7)

A Genética Quantitativa estuda características que apresentam variação contínua na população, controladas por múltiplos genes (herança poligênica) e fortemente influenciadas pelo ambiente. Diferentemente da Genética Qualitativa (Mendeliana), onde os fenótipos caem em categorias distintas.

• Fenótipo (P) = Genótipo (G) + Ambiente (E).
• Exemplos de características quantitativas incluem Produção de Leite, Produção de lã, Peso corporal e Medidas biométricas (peso, altura, comprimento).
• Em características quantitativas, o número de fenótipos possíveis é igual ao número de alelos envolvidos mais um. A herança da cor da pele humana é um exemplo didático de herança quantitativa com efeito aditivo.
• Os slides apresentam exercícios que demonstram como calcular o número de genes efetivos que atuam em uma característica quantitativa, a contribuição de cada gene para o fenótipo, e prever as proporções ou o número de indivíduos com determinado fenótipo em gerações futuras.

7. Genética de Populações (AULA 8)

A Genética de Populações estuda a composição genética de grupos de indivíduos (populações) e como essas composições mudam ao longo do tempo.

• A Lei do Equilíbrio de Hardy-Weinberg postula que as frequências alélicas e genotípicas de uma população permanecerão constantes ao longo das gerações se nenhum fator evolutivo estiver atuando (como mutação, seleção natural, migração, deriva genética e acasalamento não aleatório). Diz-se que a população está em equilíbrio.
• As frequências alélicas são representadas por p (frequência do alelo dominante) e q (frequência do alelo recessivo), onde p + q = 1.
• As frequências genotípicas em uma população em equilíbrio de Hardy-Weinberg são representadas por p² (frequência de homozigotos dominantes AA), 2pq (frequência de heterozigotos Aa) e q² (frequência de homozigotos recessivos aa), onde p² + 2pq + q² = 1.
• Conhecendo-se a frequência de um genótipo (geralmente o homozigoto recessivo, cujo fenótipo é conhecido), é possível calcular as frequências alélicas (p e q) e, a partir delas, as frequências dos outros genótipos. Os slides incluem diversos exemplos e exercícios para praticar o cálculo destas frequências em diferentes cenários.

8. Técnicas de Biologia Molecular (AULA 9)

A Biologia Molecular oferece diversas ferramentas para estudar o material genético:

• Amostras: Diversos tipos de material biológico podem ser usados para obter DNA, incluindo sangue, sêmen, raiz do dente, bulbo piloso, mucosa oral, muco cervical e ossos.
• Termociclador: Equipamento utilizado na técnica de PCR (Reação em Cadeia da Polimerase).
• PCR Quantitativo: Técnica utilizada para medir a expressão gênica.
• Marcadores Moleculares: Sequências de DNA usadas para identificar indivíduos ou características.
• Outras técnicas mencionadas incluem Clonagem, Transformação, RNA de interferência, e CRISPR-Cas9.

Medidas importantes na aplicação dessas técnicas incluem o monitoramento do conhecimento científico, avaliação rigorosa da segurança alimentar (especialmente OGM’s), fomento à pesquisa e formação de recursos humanos para entender OGMs, monitoramento da saúde humana e animal, e monitoramento ambiental dos impactos de OGMs.

9. Delineamento, Escrituração, Parâmetros Genéticos, Seleção (AULA 10), Endogamia (AULA 11) e Herdabilidade e Repetibilidade (AULA 12)

Estes slides introduzem conceitos fundamentais para programas de melhoramento genético animal.

• Delineamento de um programa de melhoramento: Planejamento das etapas do programa.
• Escrituração Zootécnica: Registro de dados dos animais, essencial para a avaliação genética.
• Parâmetros Genéticos: Medidas que descrevem a variação genética e a herdabilidade das características.
• Seleção: Processo de escolha dos melhores animais para serem os reprodutores da próxima geração, com o objetivo de aumentar a frequência de genes favoráveis.
• Endogamia (Consanguinidade): Acasalamento entre indivíduos aparentados, o que aumenta a homozigose. Pode levar à Depressão por Endogamia, que é a redução do desempenho fenotípico (vigor, fertilidade, etc.) devido ao aumento da expressão de alelos recessivos deletérios em homozigose.
• Herdabilidade (h²): É a proporção da variação fenotípica total que é devida à variação genética aditiva. Indica o quanto uma característica é influenciada pela genética e, portanto, o quanto ela pode responder à seleção. Se a variância aditiva é 370,5 Kg e a fenotípica total é 432,8 Kg para peso aos 18 meses em bovinos Angus, a herdabilidade é 370.5/432.8 ≈ 0.856. Um valor alto de herdabilidade indica que o valor fenotípico de um animal é um bom indicador do seu valor genético.
• Repetibilidade (r): É a proporção da variação fenotípica total que é devida a causas permanentes (genéticas e ambientais permanentes). É utilizada para características que podem ser medidas múltiplas vezes ao longo da vida de um animal (ex: produção de leite em várias lactações, peso corporal em diferentes idades). Um coeficiente de repetibilidade de 0,45 para produção de leite em bovinos Holandeses sugere que 45% da variação na produção de leite entre animais é devido a causas permanentes. A repetibilidade indica a precisão em prever futuras produções de um animal com base em suas produções passadas.

10. Valor Genético – DEP (AULA 13)

A Diferença Esperada na Progênie (DEP) é uma ferramenta eficiente no melhoramento genético animal, especialmente na pecuária de corte.

• A DEP permite prever o desempenho das crias de um determinado reprodutor, comparado ao desempenho das crias de todos os reprodutores incluídos no programa de avaliação genética, quando acasalados com fêmeas semelhantes.
• Na prática, a escolha de reprodutores na bovinocultura de corte é feita com base nos resultados das avaliações genéticas que geram as DEPs para as características de interesse. Esses resultados são publicados anualmente em sumários de reprodutores.
• Interpretação da DEP: Um animal com DEP positiva alta para uma característica é esperado ter filhos com desempenho superior para essa característica, em comparação com a média da população de referência do programa. Por exemplo, um touro A com DEP 15 kg para peso à desmama e um touro B com DEP 7 kg para a mesma característica, significa que os filhos do touro A serão, em média, aproximadamente 8 kg mais pesados à desmama do que os filhos do touro B (15 – 7 = 8), em condições ambientais semelhantes.

11. Correlação Genética e Fenotípica (AULA 14)

A correlação estuda o comportamento conjunto de duas variáveis distintas, medindo o grau de associação entre elas. Pode ser positiva (uma variável aumenta com a outra), negativa (uma aumenta enquanto a outra diminui) ou nula (ausência de associação). A direção e magnitude da correlação são indicadas pelo coeficiente de correlação, que varia de -1 a +1.

Existem diferentes tipos de correlação:

• Correlação Fenotípica: Estimada a partir do fenótipo de dois caracteres medidos no mesmo indivíduo. Indica se os fenótipos para as duas características estão associados. É calculada usando a covariância entre os caracteres e seus respectivos desvios-padrão (Correlação de Pearson). Um exemplo mostra uma correlação fenotípica forte e positiva (r = 0,99) entre a produção de leite e o teor de gordura em vacas Holandesas.
• Correlação Genética: Indica o grau de associação genética entre dois caracteres. É particularmente importante no melhoramento, pois ao selecionar um caráter (X), pode-se obter uma resposta à seleção em gerações futuras simultaneamente em outro caráter (Y), devido à correlação genética entre eles. Exemplos incluem correlação genética positiva entre Peso ao Nascer e Ganho médio diário de peso (0,90) ou negativa entre Rendimento de carcaça e gordura na carcaça (-0,15). A variação conjunta de duas variáveis explicada pela correlação genética pode ser devida a mecanismos genéticos como Pleiotropia (um gene afetando múltiplos caracteres) ou Ligação Genética/Automática (genes localizados próximos no mesmo cromossomo tendem a ser herdados juntos).
• Correlação Ambiental: Indica o grau de associação entre os efeitos ambientais que afetam dois caracteres.