Sexo
não é totalmente necessário. Os organismos unicelulares podem reproduzir-se por
divisão mitótica simples, e muitas plantas se propagam de forma vegetativa,
pela formação de brotos multicelulares que mais tarde se separam da planta que
os originou. Da mesma forma, no reino animal, uma Hydra multicelular pode
produzir descendentes sozinha, por brotamento (Figura 21-1), e as anêmonas do mar e as minhocas marinhas podem
dividir-se em duas metades, cada uma capaz de regenerar a metade que falta. Há
ainda espécies de lagartos que consistem apenas em fêmeas e se reproduzem sem
acasalamento. Embora tal reprodução assexuada seja simples e direta, ela dá
origem a descendentes que são geneticamente idênticos ao organismo que os
originou. Por outro lado, na reprodução sexuada, os genomas de dois indivíduos
são misturados para produzir descendentes que diferem geneticamente uns dos
outros e de seus pais. Aparentemente, esta forma de reprodução tem grandes
vantagens, tanto que a grande maioria das plantas e animais a escolheu. Mesmo
muitos procariotos e eucariotos que normalmente se reproduzem de forma
assexuada, em períodos ocasionais, utilizam a troca genética, criando, dessa forma,
descendentes com novas combinações de genes. Este capítulo descreve a maquinaria
celular da reprodução sexuada. Porém, antes de discutirmos em detalhe como essa
maquinaria funciona, faremos uma breve consideração sobre o que ela implica e
que benefícios traz.
VISÃO GERAL DE
REPRODUÇÃO SEXUADA
Reprodução sexuada ocorre em organismos diploides,
nos quais cada célula contém dois conjuntos de cromossomos, um cromossomo
herdado de cada um dos pais. Entretanto, as células especializadas em levar
adiante a reprodução sexuada são haploides; ou seja, cada uma delas contém
apenas um conjunto de cromossomos. Na etapa final de reprodução sexuada, uma
célula haploide de um indivíduo se funde com uma célula haploide de outro, misturando
os dois genomas e restaurando o estado diploide. Portanto, a reprodução sexuada
requer um tipo especializado de divisão celular chamado de meiose, no qual uma
célula precursora diploide dá origem a uma progênie de células haploides, ao
invés de células diploides, como ocorre na divisão celular mitótica normal.
Em organismos multicelulares que se reproduzem sexualmente,
as células haploides produzidas por meiose se desenvolvem em gametas altamente
especializados – oócitos (ou ovócitos), espermatozoides, pólen ou esporos. Nos
animais, caracteristicamente, fêmeas produzem oócitos grandes e não-móveis, ao
passo que machos produzem espermatozoides pequenos e móveis (Figura 21-2). Na fecundação, um
espermatozoide haploide funde-se com um oócito haploide para formar uma célula
diploide (um ovo fecundado, ou zigoto), que contém uma combinação nova de
cromossomos. Então, o zigoto se desenvolve como um novo organismo multicelular
por meio de sucessões repetidas de mitoses, seguidas por especialização
celular, que inclui a produção de gametas (Figura
21-3A).
Em eucariotos
superiores, a fase haploide é curta
Na maioria dos organismos que se reproduzem
sexualmente, as células diploides proliferam por divisão celular mitótica, e as
células haploides que se formam por meiose não proliferam. Alguns organismos
simples, como leveduras de fissão, são exceções nas quais as células haploides proliferam por mitose, e as células diploides
formadas pela fusão de células haploides dividem-se diretamente por meiose para
produzir novas células haploides (Figura 21-3B). Uma exceção menos extrema
ocorre em plantas, nas quais tanto as células haploides como as diploides
proliferam. Entretanto, em todas as plantas, menos nas mais primitivas, como
musgos e samambaias, a fase haploide é muito curta e simples, enquanto a fase
diploide se estende por um longo período de desenvolvimento e de proliferação
celular.
Em quase todos os animais, incluindo todos os vertebrados, apenas
as células diploides proliferam: os gametas haploides existem apenas
brevemente, não se dividem e são altamente especializados para a fusão sexual.
Nestes organismos, é vantajoso fazer a distinção entre as células da linhagem
germinativa(ou células germinativas), que incluem os gametas e suas células
precursoras diploides específicas, e as células somáticas, que formam o
restante do organismo e no final não deixam descendentes (ver Figura 21-3A). De
certa forma, as células somáticas existem apenas para auxiliar as células
germinativas a sobreviver, desenvolver-se e transmitir seu DNA para a próxima
geração.
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| Figura 21-2 - |
Figura 21-1 - Fotografia
de uma Hydra, da qual dois novos organismos estão brotando (setas). Os
descendentes, que são geneticamente idênticos ao organismo que os originou, se
desprenderão e viverão de forma independente. (Cortesia de Amata Hornbruch)
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| Figura 21-2 |
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| Figura 21-3 |
Figura 21-3 Células haploides e diploides
no ciclo de vida de eucariotos superiores e alguns inferiores. As células
haploides são mostradas em vermelho e as células diploides em azul. (A) As
células na maioria dos animais e das plantas normalmente proliferam na fase
diploide para formar um organismo multicelular; apenas os gametas (oócitos e
espermatozoides em animais) são haploides, e eles se fundem no momento da
fecundação para formar um zigoto diploide, que se desenvolve como um novo indivíduo.
Os gametas se desenvolvem a partir de células diploides da linhagem germinativa
(cinza) nas gônadas; todas as células restantes no organismo são células
somáticas. (B) Em alguns eucariotos inferiores, como leveduras de fissão e a
alga verde Chlamydomonas, ao contrário, as células haploides proliferam, e a
única célula diploide é o zigoto, que existe temporariamente após acasalamento.
Meiose
cria diversidade genética.
Organismos que se reproduzem sexualmente
herdam dois conjuntos completos de cromossomos, um de cada progenitor. Cada
conjunto contém cromossomos autossômicos, comuns a todos os membros da espécie,
e cromossomos sexuais, que estão distribuídos de forma diferente de acordo com
o sexo do indivíduo. Portanto, cada núcleo diploide contém duas versões muito
semelhantes de cada cromossomo autossômico, mais um conjunto de cromossomos
sexuais adequados para o sexo do indivíduo. As duas cópias de cada cromossomo
autossômico, uma herdada da mãe e uma do pai, são chamadas de cromossomos
homólogos, e na maioria das células elas mantêm uma existência separada como
cromossomos independentes. No entanto, durante a meiose cada cromossomo deve se
comunicar fisicamente com seu par homólogo único através do pareamento, para
sofrer recombinação genética. Essa comunicação é essencial para capacitar os
homólogos a segregarem de forma correta em células-filhas diferentes durante a
meiose.
Uma característica crucial da meiose é
que ela gera células haploides que são geneticamente diferentes umas das outras
e das duas células haploides que formaram o organismo no primeiro momento. As
diferenças genéticas surgem por dois mecanismos. Primeiro, individualmente, um
gameta contém ou a versão materna ou a paterna de cada cromossomo; como a
escolha de materno ou paterno ocorre de forma independente e aleatória para
cada par de homólogos, os cromossomos maternos e paternos originais são
rearranjados em combinações novas nas células haploides. Segundo, mesmo que as
versões materna e paterna de cada cromossomo tenham sequências de DNA semelhantes,
elas não são idênticas, sofrendo recombinação genética durante a meiose – um
processo chamado de crossing over para produzir versões híbridas novas de cada
cromossomo; dessa forma, cada cromossomo em um gameta contém uma mistura única
de informação genética de ambos os pais. Discutiremos estes dois mecanismos em
maiores detalhes mais tarde (ver Figura 21-13).
A
reprodução sexuada proporciona uma vantagem competitiva aos organismos
A maquinaria da reprodução sexuada é
elaborada, e os recursos gastos nela são grandes (Figura 21-4). Quais são seus
benefícios e por que ela evolui? Reproduzindo-se sexualmente, os indivíduos
produzem descendentes variados, cujos genótipos diversos provavelmente têm
chances iguais de representar uma mudança para pior ou para melhor. Então, por
que os indivíduos sexuados deveriam ter uma vantagem competitiva sobre os
indivíduos que se reproduzem por um processo assexuado? Este problema continua
deixando perplexos os biólogos evolucionistas.
Uma vantagem da reprodução sexual parece
ser que o rearranjo de genes ajuda uma espécie a sobreviver em um ambiente
variável imprevisível. Se um casal de pais produz muitos descendentes com uma
variedade grande de combinações de genes, é maior a chance de que ao menos um
de seus descendentes tenha a combinação de características necessária para
sobreviver em um ambiente em modificação. Na verdade, uma população de
leveduras que se reproduz por brotamento, modificada geneticamente para que não
possa sofrer recombinação genética por meiose e, portanto, não possa se reproduzir
sexualmente, adapta-se de forma muito menos satisfatória e mais demorada às
condições ambientais rigorosas do que a população do tipo selvagem, que pode se
reproduzir sexualmente.
Outra vantagem da reprodução sexuada
parece ser sua capacidade de auxiliar na eliminação de genes prejudiciais de
uma população: as fêmeas geralmente acasalam com os machos mais aptos, de modo
que os machos menos aptos não deixam descendentes e servem apenas como uma
espécie de lata de lixo genética. Esta seleção rigorosa entre os machos
significa que genes “bons” são transmitidos e genes “ruins” são perdidos na
população de forma mais eficiente que seriam de outro modo. Como resultado,
espera-se que membros de uma população de reprodução sexuada tenham média de
aptidão muito mais alta que membros de uma população equivalente que se
reproduz assexuadamente.
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| Figura 21-4 |
Figura 21-4 - Um pavão mostrando sua
complexa cauda. Esta plumagem extravagante serve para atrair as fêmeas, com o
objetivo de reprodução sexuada. Ela desenvolveu-se porque apenas os machos mais
aptos e elegantes deixarão descendentes. (Cortesia de Cyril Laubscher.)
Quaisquer que sejam os benefícios que a
reprodução sexuada possa ter, é surpreendente que praticamente todos os
organismos complexos atuais tenham evoluído amplamente por gerações através da
reprodução sexuada em vez da assexuada. Comparativamente, organismos
assexuados, apesar de abundantes, na sua maioria parecem ter permanecido
simples e primitivos.
Agora, passaremos para os mecanismos
celulares do sexo, começando com os eventos da meiose. Então, focaremos nossa
discussão principalmente em mamíferos. Primeiro, levaremos em consideração as células
diploides da linhagem germinativa que originam os gametas e a maneira como o
sexo de um mamífero é determinado. Finalmente, examinaremos o processo de
fecundação, no qual um oócito e um espermatozoide se fundem para formar um novo
organismo diploide.
Resumo
O ciclo reprodutivo sexuado envolve uma
alternância de estados diploides e haploides: as células diploides dividem-se
por meiose para formar células haploides, e as células haploides de dois indivíduos
se fundem em pares para formar novos zigotos diploides. No processo, os genomas
são misturados e recombinados para produzir indivíduos com novas combinações
genéticas. Nos eucariotos superiores, as células diploides proliferam por
mitose, e somente uma pequena proporção delas (aquelas da linhagem germinativa)
sofre meiose para produzir células haploides; as células haploides se
diferenciam como gametas, os quais são especializados para a reprodução
sexuada, têm apenas uma existência breve e não se dividem. Acredita-se que a
reprodução sexuada seja vantajosa tanto por produzir indivíduos com combinações
genéticas novas, alguns dos quais podem sobreviver e procriar em um ambiente
variável imprevisível, como por propiciar uma maneira eficiente de eliminar
mutações prejudiciais de uma população.
MEIOSE
A compreensão de que os gametas são
haploides veio de uma observação que também sugeria que os cromossomos carregam
informação genética. Em 1883, em um estudo com vermes nematódeos, foi
descoberto que o núcleo de um oócito e o de um espermatozoide contêm dois
cromossomos cada um, enquanto o zigoto (ou ovo fecundado) contém quatro
cromossomos. Isto levou à teoria cromossômica da hereditariedade, a qual
explicou o paradoxo de longa data de que as contribuições materna e paterna
para as características da progênie parecem ser iguais, apesar da enorme
diferença de tamanho entre o oócito e o espermatozoide (ver Figura 21-2).
O achado também sugeriu que as células
germinativas haploides resultam de um tipo especial de divisão celular no qual
o número de cromossomos é dividido exatamente ao meio.
Este tipo de divisão, chamado de
meiose(do grego meiosis, que significa diminuição ou redução), nos animais
inicia-se nas células da linhagem germinativa dos ovários ou testículos.
Poderia parecer que a meiose acontece
por uma modificação simples da mitose, na qual a síntese de DNA (fase S) é
omitida e uma divisão celular simples produz diretamente duas células
haploides. No entanto, a meiose é mais complexa que isto e envolve duas
divisões celulares ao invés de uma, mas com apenas uma etapa de síntese de DNA.
Os eventos essenciais da meiose foram estabelecidos somente no início da década
de 1930, como resultado de cuidadosos estudos citológicos e genéticos. Estudos
genéticos e moleculares mais recentes têm começado a identificar as várias
proteínas específicas da meiose que fazem com que os cromossomos na meiose se
comportem de uma maneira diferente dos cromossomos na mitose e ajudam a mediar
os eventos decisivos de recombinação genética que ocorrem na meiose.
Veremos
que os eventos de recombinação são importantes não apenas para a variabilidade genética,
mas também para a segregação cromossômica precisa durante a meiose.
Os
gametas são produzidos por duas divisões celulares meióticas
A meiose utiliza quase a mesma
maquinaria molecular e os sistemas de controle que agem na mitose comum.
Contudo, neste capítulo daremos enfoque às características particulares da
meiose que a distinguem da mitose. No início da meiose, assim como na mitose,
os cromossomos têm o seu DNA replicado (na fase S meiótica) e as duas cópias
estão intimamente ligadas por complexos coesina ao longo de todo seu
comprimento, sendo chamadas de cromátides-irmãs. Entretanto, diferentemente da
mitose, a meiose ocorre para produzir gametas com a metade dos muitos
cromossomos de suas células precursoras diploides. Isso é obtido pela
modificação do programa mitótico de maneira que uma etapa única de replicação
de DNA é seguida por duas etapas sucessivas de segregação de cromossomos
(Figura 21-5A). Lembre-se de que, na mitose, os cromossomos duplicados
alinham-se ao acaso no equador do fuso mitótico, e as cromátides-irmãs são
tracionadas até separarem-se e serem segregadas em duas células-filhas, de modo
que cada filha herda um conjunto diploide completo de cromossomos e é
geneticamente idêntica à célula-mãe (Figura 21-5B). Na primeira divisão da
meiose (meiose I), ao contrário, os homólogos paternos e maternos duplicados
(incluindo os dois cromossomos sexuais replicados) pareiam um ao lado do outro
e trocam informação genética por meio de um processo de
recombinação genética. Então, eles alinham-se no equador do fuso meiótico, e
depois, ao invés das cromátides-irmãs, os homólogos duplicados é que são
tracionados até separarem--se, sendo segregados em duas células-filhas. Apenas
na segunda divisão da meiose (meiose II), a qual ocorre sem uma replicação
adicional de DNA, as cromátides-irmãs são separadas e segregadas para produzir
células-filhas haploides. Dessa forma, cada célula diploide que entra em meiose
produz quatro células haploides, sendo que cada uma herda ou a cópia materna ou
a paterna de cada cromossomo, mas não ambas (ver Figura 21-5A).
Os
cromossomos homólogos duplicados (e os cromossomos sexuais) formam pares
durante o início da prófase I
Durante a mitose em muitos organismos,
os cromossomos homólogos comportam-se independentemente uns dos outros. No
entanto, durante a meiose I, é fundamental que homólogos se reconheçam uns aos
outros e tornem-se ligados fisicamente a fim de que homólogos maternos e
paternos passem por recombinação genética e segreguem para células-filhas
diferentes na anáfase I. Mecanismos especiais medeiam estas interações íntimas
entre homólogos.
A justaposição progressiva de homólogos
ocorre durante uma prófase meiótica muito prolongada (prófase I), a qual pode
levar horas em leveduras, dias em camundongos e semanas em vegetais superiores.
Da mesma forma que na mitose, os cromossomos duplicados
na
prófase da meiose aparecem como estruturas delgadas longas, nas quais as
cromátides-irmãs estão coladas firmemente e tão juntas que parecem apenas uma.
É durante o início da
prófase I que os homólogos começam a se
unir ao longo de seu comprimento em um processo chamado de pareamento, que,
pelo menos em alguns organismos, inicialmente ocorre por interações entre
sequências de DNA complementar (chamadas de sítios de pareamento) nos dois
homólogos; na maioria dos organismos, o pareamento estável requer recombinação
genética entre os homólogos. Com o avanço da prófase I, os homólogos tornam-se
mais intimamente justapostos, formando uma estrutura de quatro cromátides
chamada de bivalente (Figura 21-6A). Como discutiremos mais adiante, a
recombinação genética inicia durante o pareamento no início da prófase I, com a
produção de quebras programadas na
fita dupla de DNA da cromátide; alguns
destes eventos de recombinação se resolverão mais tarde nos
entrecruzamentos(crossovers), quando um fragmento de uma cromátide materna é trocado
por um fragmento correspondente de uma cromátide do homólogo paterno (Figura 21-6B;
ver também Figura 5-64).
O pareamento dos homólogos requer
movimentos de cromossomos, mas não se sabe o que aciona estes movimentos. Os
cromossomos replicados sofrem os principais rearranjos dentro do núcleo durante
a prófase I. As extremidades dos cromossomos (os telômeros) estão firmemente
ligadas à superfície do envelope nuclear. Inicialmente, eles estão distribuídos
ali de forma difusa, mas então se agrupam transitoriamente em um ponto no
envelope e, mais tarde ainda, dispersam-se novamente (Figura 21-7). Nem os
mecanismos, nem as funções destes rearranjos são conhecidos, embora se imagine
que eles tornem a prófase I mais rápida e eficiente. Uma possibilidade é que
eles ajudem a impedir o embaralhamento dos cromossomos durante a prófase I. Em
leveduras de fissão, o agrupamento dos telômeros é necessário para o pareamento
e o crossing-over dos homólogos, porém em alguns organismos ele ocorre após o
pareamento já estar bem encaminhado.
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| Figura 21-5 |
Figura 21-5 - Comparação entre a meiose
e a divisão celular mitótica. Para maior clareza, somente um par de cromossomos
(homólogos) é mostrado. (A) Na meiose, após a replicação de DNA, duas divisões
nucleares (e celulares) são necessárias para produzir os gametas haploides. Os homólogos
duplicados, cada um composto por duas cromátides-irmãs unidas firmemente, pareiam
e são segregados em células-filhas diferentes na meiose I; as cromátides-irmãs separam-se
somente na meiose II. Como é indicado pela formação de cromossomos que são
parcialmente vermelhos e parcialmente cinzas, o pareamento dos homólogos na
meiose leva à recombinação genética (crossing-over) durante a meiose I, como
será
discutido
mais tarde. Portanto, cada célula diploide que entra em meiose produz quatro células
haploides geneticamente diferentes. (B) Na mitose, ao contrário, os homólogos
não formam pares e as cromátides-irmãs separam-se durante a divisão única.
Assim, cada célula diploide que se divide por mitose produz duas células-filhas
diploides geneticamente idênticas.
Cromossomo
1 paterno replicado
Cromossomo
1 materno replicado
Centrômero
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| Figura 21-6 |
Figura 21-6- Alinhamento dos homólogos e
crossing-over.(A) A estrutura formada por dois homólogos
duplicados alinhados de forma muito próxima
é chamada de bivalente. Como na mitose, as cromátides-irmãs estão conectadas
firmemente ao longo de todo seu comprimento, bem como pelos seus centrômeros.
Nesse estágio, os homólogos normalmente estão unidos por um complexo proteico
chamado de complexo sinaptotênico. (B) Um bivalente em estágio posterior no
qual um único evento de crossing-over está ocorrendo entre cromátides não-irmãs.
Somente quando o complexo sinaptotênico se desfaz e os homólogos pareados separam-se
um pouco no final da prófase I, como é mostrado, é possível visualizar o crossing-over
microscopicamente como uma tênue conexão, chamada de quiasma, entre os homólogos.
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| Figura 21-7 |
Figura 21-7 Rearranjo de telômeros durante
a prófase em oócitos bovinos em desenvolvimento. O núcleo está corado de azul, e
os telômeros, de vermelho. Durante a prófase I, os telômeros envelope nuclear.
A princípio, eles estão dispersos em torno do envelope nuclear (não-mostrado).
Então, eles tornam-se agrupados em uma região do envelope (A); por fim, perto
do final da prófase I, eles se dispersam novamente (B). (De C. Pfeifer et al.,
Dev. Biol. 255:206-215, 2003. Com permissão de Elsevier.)
Descrevemos o pareamento de homólogos autossômicos
durante a prófase I, mas o que acontece aos cromossomos sexuais? Isto varia
entre organismos diferentes. Fêmeas mamíferas têm dois cromossomos X, que
pareiam e segregam da mesma forma que os outros homólogos. Contudo, os machos
têm um cromossomo X e um Y. Embora estes cromossomos não sejam homólogos, eles
também devem parear e sofrer crossing-over durante a prófase para que sejam
segregados normalmente na anáfase I. O pareamento, o crossing-over e a segregação
são possíveis por causa de uma região pequena de homologia entre o X e o Y em
uma ou ambas as extremidades destes cromossomos. Os dois cromossomos pareiam e
se entrecruzam nessa região durante a prófase I, assegurando que cada
espermatozoide receba ou um cromossomo X ou um Y, e não ambos ou nenhum. Assim,
somente dois tipos de espermatozoides são produzidos normalmente: aqueles
contendo um cromossomo Y, o qual dará origem a um embrião do sexo masculino, e
aquele contendo um cromossomo X, que originará um embrião feminino.
OBS: COMO FICOU ENORME A MATÉRIA CONTINUA NO PRÓXIMO
POST. GRATO
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