A biologia molecular como ferramenta no estudo da biodiversidade

The molecular biology as a tool in the study of biodiversity

Resumo

Todos os organismos do planeta estão relacionados evolutivamente através do material genético de DNA. A descoberta da estrutura desta macromolécula, das enzimas de restrição e da Taq polimerase possibilitaram o desenvolvimento de várias tecnologias. Paralelamente aos métodos clássicos, estas tecnologias têm sido usadas na identificação, caracterização e comparações taxonômicas nos mais diversos grupos de organismos. Esta análise propiciou o conhecimento da extensão da biodiversidade do planeta e do grau de similaridade entre plantas, animais e o homem. O reconhecimento da biodiversidade e da composição genética única de cada espécie, torna maior e urgente a necessidade de conhecer para preservar.

Palavras Chave:
marcadores moleculares; DNA.

Abstract

All organisms of our planet are evolutionarily related throughout its genetic material composed by DNA. The discovery of the structure of this macromolecule together with the restriction enzymes and Taq polimerase made possible the sprouting of a series of technologies. Parallel to the classic methods these technologies have been used in the taxonomic identification, genetic characterization, and comparisons of the most diverse organism groups. It has allowed knowing the extension of the planet biodiversity and also the degree of similarity between plants, animals and man. The knowledge of the uniqueness of each species genome makes urgent the necessity of know to preserve.

Key words:
molecular markers; DNA.

Introdução

O fenômeno da Vida em nosso planeta apresenta duas principais características: a) genoma de ácido nucléico e b) diversidade. Quanto à diversidade biológica, estima-se em 1,9 milhão de espécies descritas de plantas, animais e microrganismos. Provavelmente o número total de espécies existentes é muito maior. Cada ambiente possui espécies diferentes, espécies têm populações geneticamente distintas e populações têm indivíduos geneticamente únicos (Kudryavtsev, 2006). Richard Dawkins resumiu de forma elegante as relações entre os seres vivos através de seus genomas ao afirmar que “A vida é um rio de DNA que corre ao longo do tempo, conectando todos os organismos passados, presentes e futuros” (Dawkins, 1996).

O termo “biodiversidade”, contração de diversidade biológica, foi introduzido na metade dos anos 80, pelos naturalistas que se inquietavam pela rápida destruição de ambientes naturais e de suas espécies, reclamando que a sociedade tomasse medidas eficazes para proteger este patrimônio natural. O termo foi popularizado na Conferência do Rio de Janeiro em 1992 e definido como “a variabilidade dos organismos vivos de qualquer origem, compreendendo, entre outros, os ecossistemas terrestres, marinhos e outros ecossistemas aquáticos e complexos ecológicos dos quais eles fazem parte. Isso compreende a diversidade no seio das espécies e entre as espécies, bem como aquela dos ecossistemas” (Léveque, 1999; Koziell & Swinglan, 2002). Resumindo, a biodiversidade está constituída pelo conjunto dos seres vivos, pelo seu material genético e pelos complexos ecológicos dos quais eles fazem parte. A importância da manutenção da biodiversidade deve-se à abrangência de suas implicações em três níveis: 1) econômico: fornecimento de alimentos, matéria prima para a indústria, medicamentos, turismo, etc. (Montanari & Bolzani, 2001); 2) ecológico: manutenção do processo evolutivo do mundo vivo, regulação dos ciclos físico-químicos da biosfera, reciclagem e decomposição natural de poluentes (Santandreu et al., 2002; Resende et al., 2002) e 3) ético: é dever moral de respeitar outras formas de vida (não eliminar deliberadamente, nem por negligência permitir sua extinção), garantindo desta forma a transmissão do patrimônio biológico para gerações futuras (Vianna et al., 2006).

A biodiversidade não é um simples catálogo de genes, espécies ou ambientes (por exemplo em Gustafsson, 2002, Gambi et al., 2003 e Santos et al., 2003). Ela deve ser percebida como um conjunto dinâmico e interativo entre diferentes níveis da hierarquia biológica. Segundo as teorias evolutivas estabelecidas no Século XX, somente a diversidade genética intra-específica pode garantir a adaptabilidade dos espécimes e das populações às modificações do meio ambiente. A história biológica da Terra teve início a cerca de 3,5 bilhões de anos com os organismos procariotos (sem membrana nuclear) e foi marcada por períodos de explosão de diversificação, como no Cambriano (período onde surgiram os principais grandes grupos de organismos modernos: anelídeos, moluscos, artrópodes, entre outros) e por grandes catástrofes de extinção, como no período Permiano, em que ocorreu a extinção de 80% dos gêneros de animais marinhos (Ridley, 2006). Entretanto, a diversidade genética de uma espécie evolui no tempo em função das modificações do ambiente, sempre sendo alimentada pelo surgimento de novas mutações e da recombinação das previamente existentes (Albagli, 1998; Diniz, 2002).

Fontes de variação genética

Existem quatro formas de surgimento de variabilidade genética. A primeira é a mutação gênica que consiste na alteração de uma seqüência de nucleotídios da molécula de DNA. Estas mutações podem ser silenciosas (não apresentar efeito no fenótipo do organismo) ou se expressar de forma a ampliar ou reduzir a capacidade de sobrevivência do indivíduo. Um exemplo clássico é a mutação na posição seis da cadeia da beta globina da hemoglobina humana (HbA), responsável pelo transporte de oxigênio no sangue. A simples troca do aminoácido ácido glutâmico por valina origina uma proteína com propriedades distintas, denominada HbS. Esta mutação afeta a solubilidade e a cristalização da hemoglobina em condições de hipóxia, dando à hemácia a forma de foice. Indivíduos heterozigos para este novo alelo sobrevivem melhor em regiões de incidência do Plasmodium falciparum, que provoca malária fatal (entre seis meses e três anos), pois o protozoário não consegue se espalhar, enquanto os homozigotos apresentam anemia hemolítica severa (Moreira, 2000; Diniz & Guedes, 2003). Portanto, as mutações ampliam a variabilidade da população para um determinado loco gênico pela criação de uma nova seqüência gênica.

A segunda forma de geração de diversidade é a reprodução sexuada, que possibilita a união de genomas distintos originários de dois genitores (masculino e feminino), em que cada um contribui com a metade do complemento cromossômico. Este tipo de reprodução só é possível graças à meiose, a forma de divisão celular onde o número cromossômico é dividido pela metade, permitindo a recomposição do número completo diplóide pela união dos gametas durante a fecundação. A meiose é tão importante e regulada que qualquer alteração pode acarretar infertilidade do organismo. Modificações na meiose podem também acarretar em especiação, como é o caso da autotetraploidia em anuros (Beçak & Kobashi, 2004). Além disso, durante a meiose ocorre o terceiro modo de surgimento de variabilidade genética, a recombinação homóloga, que é simplesmente a troca de segmentos entre os cromossomos homólogos através da permuta (crossing-over, geralmente pelo menos um evento por cromossomo), gerando novos cromossomos com combinações de seqüências diferentes dos parentais. Assim, a reprodução sexuada amplia a variabilidade genética por juntar conjuntos gênicos de parentais distintos e a recombinação dos homólogos reorganiza os alelos nos cromossomos que sofreram permuta. Disturbios ambientais como as queimadas acabam alterando a reprodução sexuada interferindo na variabilidade, dispersão, germinação das sementes e na sobrevivência de plântulas, jovens e adultos (Schmidt et al., 2005).

Finalmente, as interações gênicas são o resultado do efeito de genes (alélicos ou não) sobre os outros, alterando sua expressão. Classicamente, em termos de alelos temos as relações de dominância e semidominância, que mascaram os alelos recessivos por expressar somente o fenótipo dominante. Em termos de interações não-alélicas podemos citar a epistasia e a pleiotropia. Na pleiotropia uma mutação em um único gene pode afetar todo o fenótipo. A Fibrose Cística é um exemplo clássico, ocorrendo cerca de 600 alelos mutantes recessivos para o gene CFTR (Scotet et al., 2000; Cabello et al., 2003 e Santos et al., 2005) que codifica o canal de cloreto de sódio, com sintomas de doença pulmonar, deficiências nas enzimas pancreáticas e perda exessiva de sal (Erlandsen & Stevens, 1999). Outro tipo de interação gênica é a epistasia, quando um gene mascara ou cancela a atividade de outro. Um exemplo é o fenótipo Bombaim, em que as pessoas portadoras de homozigose recessiva em um loco que permite a produção e ligação de açúcares às proteínas do grupo ABO serão sempre do tipo sanguíneo O, independentemente da herança do loco do tipo sanguíneo (Batissoco & Novaretti, 2003).

Modulação da variação genética

A variação genética gerada pelas mutações são colocadas em diferentes contextos gênicos, ou seja, em combinações gênicas diversas, através da combinação aleatória dos cromossomos maternos e paternos e da recombinação homóloga durante a meiose. São estas diferentes combinações dos genes que compõem os genótipos das espécies que estão sujeitas à ação da seleção natural. As combinações de alelos presentes nos diferentes genótipos da população tornam os indivíduos fenotipicamente diferentes, modificando sua adaptabilidade às características e condições ambientais. Será sobre esta relação genótipo-fenótipo-ambiente que irá operar a seleção natural, em conjunto com os outros fatores evolutivos, a migração e a deriva genética ao acaso. A migração faz aumentar ou diminuir a freqüência com que os alelos existem na população, fazendo variar a freqüência com que as diferentes combinações gênicas são apresentadas à seleção natural. Já a deriva genética ao acaso pode interferir na ação da seleção da seleção natural por fazer variar ao acaso as freqüências gênicas em populações pequenas, diminuindo a variabilidade genética (Ridley, 2006). Com a perda da variabilidade as espécies ficam desprotegidas frente às alterações ambientais, podendo entrar em risco de extinção, como é o caso do sagüi-de-serra-escuro na floresta Atlântica (Bernardo & Galetti, 2004).

Detecção e Caracterização da variabilidade genética

Polimorfismos protéicos e enzimáticos

Entre as décadas de 1960 e 1990, o estudo dos diferentes alelos através da separação por eletroforese de proteínas e enzimas foi um marco para estudos de genética e evolução. Os alelos que diferem em um aminoácido com carga elétrica distinta apresentam taxas de migração diferentes sob um campo elétrico. A aplicação desse método é restrita aos casos em que as diferentes formas sejam detectáveis por eletroforese, já que em cerca de 30% dos casos ocorre a substituição de um aminoácido por outro com a mesma propriedade, o que não resulta em diferenças detectáveis (Hunter & Markert, 1957; Markert & Moller, 1959). Outra restrição diz respeito ao método de detecção, pois os tecidos geralmente têm muitas proteínas diferentes. Em alguns casos a detecção é direta, como no caso da hemoglobina ou do citocromo, e em outros a detecção é indireta, através de colorações específicas que empregam, por exemplo, corantes em associação com anticorpos específicos. De maneira geral, buscava-se avaliar mais de 20 locos em mais de 200 indivíduos das mais diversas espécies, incluindo o homem (Lewontin & Hubby, 1966; Salzano et al., 1988; Rieger et al., 1995; Hoshizaki, 1997). Com os resultados obtidos eram avaliados o percentual de locos polimórficos (P), o grau de heterozigozidade média (H) e as relações de parentesco, pela aplicação de medidas de distância genética e a construção de árvores filogenéticas. Estes estudos resultaram numa prolífera produção de dados que foram pioneiros na caracterização da diversidade genética das populações e no estabelecimento de relações filogenéticas, utilizando informações genéticas em conjunto com a morfologia clássica. Embora fora de moda, os polimorfismos enzimáticas continuam sendo usados tanto na sua abordagem clássica em grupos e espécies pouco estudados (Lopes et al., 2002; Reis et al., 2002) como para diferenciar rapidamente espécies crípticas (Garcia et al., 2006), desvendar as relações de parentesco entre tipos vegetais (Oliveira-Collet et al., 2005; Enríquez et al., 2005) e distinguir organismos transgênicos dos convencionais (Messeguer, 2003; Chen et al., 2005).

Polimorfismos de DNA

Tendo por base as descobertas sobre a estrutura de DNA por Watson & Crick (1953), o advento da tecnologia do DNA recombinante no final da década de 1970 e a amplificação de DNA por PCR (Polimerase Chain Reaction) em meados da década de 1980, existe agora uma série de métodos que permitem a caracterização de polimorfismos moleculares observados diretamente no DNA. Em termos genéticos a novidade mais importante é que os marcadores obtidos com tecnologia de DNA são mais polimórficos que os marcadores protéicos, uma vez que a variabilidade investigada está nas bases nitrogenadas e não nos aminoácidos codificados pelas trincas. Com isso, o potencial do uso de marcadores de DNA é virtualmente ilimitado. Além disso, a combinação de métodos como a citogenética clássica com técnicas de biologia molecular, permitiram o desenvolvimento de novas possibilidades de geração de marcadores para estudo de diversidade e comparação de espécies e outros grupos taxonômicos, como a hibridização in situ (Segarra et al., 1995; Campos et al., 2006).

Seqüenciamento de DNA

A principal técnica para estudo de DNA é o seqüenciamento de nucleotídeos. O método de seqüenciamento por terminal didesoxi, concebida por Sanger et al. (1977), é o mais utilizado. Em seus primórdios era possível seqüenciar apenas alguns nucleotídeos por ano, mas na década de 1990 o seqüenciamento, agora acoplado à técnica de PCR, foi automatizado e milhões de bases podem ser seqüenciadas no mesmo tempo. A automatização tornou possível o seqüenciamento, em poucos anos, de genomas inteiros constituídos de alguns megabases presentes em organismos eucariontes. O sucesso do seqüenciamento dos genomas da levedura Saccharomyces cerevisiae (Oliver, 1996), da mosca-dasfrutas Drosophila melanogaster (Adams et al., 2000) e da planta Arabidopsis thaliana (Theologis et al., 2000), fizeram explodir o número de genomas eucariontes em processo de seqüenciamento, culminando com o genoma humano em 2001 (Pereira, 2001), no entanto os custos do seqüenciamento completo de um genoma eucarionte são muito altos, exigindo pessoal treinado e grande investimento em equipamentos. Por este motivo continuam a ser realizados com maior freqüência, os seqüenciamentos de alguns genes de interesse mais imediato, como os genes de rRNA (Spicer & Bell, 2002; De Ley et al., 2005) e HOX (Aboobaker & Blaxter, 2003; Wagner et al., 2003), muito utilizados para a construção de árvores filogenéticas. Outra alternativa, para estudos de diversidade e relações evolutivas têm sido o seqüênciamento de DNA mitocondrial (Iñiguez et al., 2003; Nagaraja et al., 2004; Campos-Macías et al., 2006). A análise da vastidão dos dados de seqüenciamento, incluindo a comparação das seqüências de diversos organismos, originou um novo campo interdisciplinar de pesquisa, a bioinformática, envolvendo técnicas e ferramentas da biologia e da informática e profissionais de ambas as especialidades (Bikandi et al., 2004).

Marcadores de DNA

RFLPs (Restriction Fragment Length Polymorphism)

As variações nas seqüências de nucleotídeos do DNA de dois ou mais organismos podem ser detectadas como alterações de tamanho dos fragmentos gerados pelas enzimas de restrição (ER), que são enzimas capazes de reconhecer uma pequena seqüência de nucleotídios e cortar o DNA neste sítio. Quando o DNA de organismos, portando estas diferenças, forem expostos a uma enzima de restrição, serão gerados fragmentos de diferentes tamanhos que podem ser separados e eventualmente, clonados e identificados (mapeados). Tais fragmentos polimórficos são denominados de RFLPs (‘Restriction Fragment Length Polymorphims’, em português “polimorfismos de tamanho de fragmentos de restrição’’, Botstein et al., 1980). A obtenção de RFLPs envolve três etapas: a) extração e purificação do DNA de dois organismos a serem comparados; b) digestão do DNA por ER; e c) análise por eletroforese dos fragmentos gerados. Porém, como os organismos podem conter bilhões de pares de bases(pb), a etapa de digestão do DNA com apenas uma ER, produz milhares de fragmentos que variam em comprimento de acordo com a distribuição dos sítios de clivagem da enzima. Esta quantidade impossibilita a análise de todos os fragmentos de uma só vez. Portanto, é obrigatória a separação dos fragmentos da mistura por eletroforese em gel de agarose, em que os menores migram mais rapidamente. Desta maneira, os fragmentos de DNA de dois (ou mais) organismos, gerados pela ER, são separados lado a lado no mesmo gel, permitindo a comparação do tamanho individual dos fragmentos. Adicionalmente, fragmentos de interesse especial poderão ser identificados, após transferência do DNA para um suporte sólido e hibridização com uma sonda de seqüência conhecida (Ferreira & Gratapaglia, 1995).

Os fragmentos de diferentes tamanhos podem ser denominados de alelos, por apresentarem herança mendeliana. A principal característica da técnica do RFLP é a sua habilidade em detectar tais diferenças. Os RFLPs mais informativos são aqueles cuja seqüência ocorre somente uma vez no genoma, denominados de cópia única. Desta forma, os RFLPs do DNA nuclear são específicos e exibem codominância, ou seja, é possível distinguir os homozigotos entre si e estes do heterozigoto. Os RFLPs apresentam alta estabilidade, ou seja, o DNA a ser analisado pode ser extraído de qualquer parte do organismo, e a pleiotropia e a epistasia, que afetam a resolução dos marcadores morfológicos, não têm efeito sobre eles. Outra característica fundamental é que a herdabilidade, ou probabilidade de herança, deste tipo de marcador é virtualmente 1, possibilitando a realização de seleção indireta de uma característica associada. Por sua segura informação genotípica e ocorrência em grande número, estes marcadores possibilitam o desenvolvimento de mapas genéticos de ligação muito densos. Isto torna os RFLPs muito úteis na caracterização genética de germoplasma, na identificação de variedades, no controle de qualidade da produção de sementes híbridas, na caracterização genética de populações naturais, no monitoramento de retrocruzamentos e como auxílio na identificação e clonagem de genes (Abolhassani et al., 2006; Arabatzis et al., 2006; El Tassa & Duarte, 2006).

Marcadores baseados em PCR

A Reação em Cadeia da Polimerase (PCR) foi concebida no início da década de 80, mas foi utilizada de forma rotineira somente a partir da década de 90 (Fields, 2001). Esta metodologia tem a capacidade de amplificar um fragmento de DNA de até 4.000pb fragmentos maiores são amplificados desde que empregadas condições específicas. A técnica de PCR consiste em uma seqüência alternada de três passos: 1) separação das fitas do DNA molde por desnaturaração; 2) o anelamento dos iniciadores (ou primers) específicos às suas seqüências complementares no DNA desnaturado; 3) e finalmente a extensão das fitas de DNA a partir dos iniciadores (Vosberg, 1989; Cousillas et al., 1999). A amplificação de DNA por PCR é feita em máquinas programáveis, os termocicladores, capazes de modificar a temperatura rapidamente de acordo com o tempo necessário para cada etapa da reação. Para amplificar o fragmento de DNA de forma específica, são utilizados iniciadores, que são oligonucleotídeos de aproximadamente 20 nucleotídeos, para anelar de forma precisa nas extremidades das fitas complementares do DNA em sentidos antiparalelos. Os iniciadores são então estendidos pela DNA polimerasase, que copia a seqüência da fita complementar, produzindo novas fitas de DNA. Os iniciadores são necessários não somente para delimitar o fragmento a ser amplificado, mas também porque a DNA polimerase não consegue iniciar uma nova cadeia de DNA, mas somente estendê-la. Esta característica confere especificidade à amplificação do fragmento de DNA, evitando que outras seqüências sejam também amplificadas. Como as DNA polimerases comuns não resistem à variação de temperatura, é utilizada a Taq DNA polimerase, produzida pela bactéria Thermus aquaticus. Esta bactéria é adaptada a viver normalmente na água fervente de determinadas formações geológicas, por isso sua DNA polimerase é altamente resistente à temperatura (Biswas et al., 1999). Finalmente os produtos da PCR são visualizados num gel de agarose após eletroforese. Esta visualização é possível com o auxílio do brometo de etídio, que quando presente no gel se interpõe entre as duas fitas do DNA e se torna avermelhado na presença de luz ultravioleta (Bergeron & Ke, 2001).

RAPDs (Randomly Amplified Polymorphic DNA)

Ainda na década de 1980, com base na PCR foi desenvolvido um novo tipo de marcador molecular denominado RAPDs (Randomly Amplified Polymorphic DNA, ou DNA polimórfico amplificado ao acaso; Welsh & McClelland, 1990; Williams et al., 1990). Utilizando pequenos iniciadores, de seqüências conhecidas, mas sem especificidade de anelamento, podem ser amplificadas na mesma reação de PCR regiões com seqüências similares distribuídas aleatoriamente no genoma. O pequeno tamanho dos iniciadores (variando em torno de 10 nucleotídeos), torna possível seu anelamento e amplificação de várias regiões complementares no genoma simultaneamente. Os produtos resultantes da amplificação podem ser visualizados como bandas em géis de agarose ou poliacrilamida, após a eletroforese. Diferenças no nível de DNA são inferidas pela presença ou ausência de um determinado fragmento amplificado, observado como banda no gel. Uma diferença entre dois organismos que ocorra na região de anelamento do iniciador é identificada pela ausência da referida banda em uma delas e presença da banda na outra. Em relação aos RFLPs, os RAPDs são mais baratos e requerem menor tempo de trabalho. Devido a isso, nos últimos anos foram desenvolvidos mapas genéticos de vários organismos com marcadores RAPD, combinados ou não com RFLPs (Borges et al., 2000; Teixeira et al., 2004). Em plantas, os RAPDs têm facilitado a realização de estudos de melhoramento, até então considerados inexeqüíveis com as técnicas tradicionais (Herzberg et al., 2002; Faleiro et al., 2003; Zimback et al., 2003; Gauer & Cavalli-Molina, 2000). Também para o estudo de microrganismos a técnica de RAPD tem sido largamente utilizada para detectar variabilidade genética (Brasileiro et al., 2004) entretanto, algumas restrições podem ser feitas à utilização do RAPD, principalmente pelo fato de ser um marcador dominante, ou seja, que não permite separar os indivíduos homozigotos dos heterozigotos, uma vez que cada heterozigoto produz a mesma banda que o respectivo homozigoto.

AFLPs (Amplified Fragment Length Polymorphism)

Os polimorfismos de comprimento de fragmentos amplificados (AFLPs, Amplified Fragments Lenght Polymorphism), são resultantes do uso combinado de enzimas de restrição e da PCR (Mueller & Wolfenberger, 1999; Bikandi et al., 2004). Suas principais características são a alta especificidade, resolução e poder de amostragem. Após a digestão do DNA genômico são obtidos vários fragmentos de diversos tamanhos e durante a amplificação por PCR são adicionados adaptadores para enzimas de restrição, cujos fragmentos podem ser amplificados e analisados em um único gel. Apesar da alta reprodutibilidade, os marcadores AFLPs são dominantes, não distinguindo os heterozigotos de cada um dos homozigotos, além desta tecnologia ser protegida por patente (Zabeau, 1993), condições que restringem o seu uso. Mesmo assim, esta tecnologia tem sido usada principalmente em plantas (Xu et al., 2000; Coulibaly et al., 2002) e microrganismos (Gzyl et al., 2005) em análises de diversidade genética e grau de parentesco.

Minissatélites (VNTR) e Microssatélites (STR)

O DNA genômico apresenta regiões de cópia única e outras com níveis variáveis de repetições. Estas repetições podem ser longas (satélites), curtas (minissatélites) ou muito curtas (microssatélites). Os minissatélites ou locos VNTR (Variable Number of Tandem Repeats, ou Número Variável de Repetições em Tandem, em português) são regiões dispersas no genoma que contêm um número variável de seqüências de nucleotídeos repetidas e enfileiradas lado a lado (Tandem) que possuem um núcleo comum de 10 a 15 pares de bases (Jeffrey et al., 1985; Hanssen et al., 1999). As VNTR podem ser analisadas através de RFLP ou PCR. Muitos dos minissatélites são altamente polimórficos, produzindo um grande número de bandas. Estão espalhados por todo o genoma e apresentam um número variável de repetições em diferentes indivíduos em relação a uma mesma região cromossômica (loco). Por serem indivíduos-específicos, os minissatélites proporcionam um conjunto de marcadores genéticos denominados de “impressão digital de DNA” capazes de discriminar espécies e tipos dentro de grupos complexos (Skuce et al., 2002; Ruas et al., 2003; Brasileiro et al., 2004). Para a obtenção do padrão de bandas utiliza-se o mesmo procedimento utilizado para o RFLP, com exceção de que a sonda contém repetições conhecidas de sequência.

Entre as diversas seqüências repetidas em Tandem, algumas são simples, formadas por um ou poucos nucleotídeos. Tais repetições curtas em Tandem (STR, Short Tandem Repeats) são denominadas de microssatélites. Os microssatélites, também chamados SSRP (Simple Sequence Repeat Polymorphisms) ou STMS (Sequence Tagged Microsatellite Sites), são seqüências repetidas de um, dois, três ou quatro nucleotídeos e que estão espalhadas pelo genoma de um indivíduo. São altamente polimórficos em plantas, animais e microorganismos. Assim, cada região genômica que contenha um determinado número de repetições de uma destas seqüências constitui-se num loco genético, altamente variável entre indivíduos e multialélico (Ferreira e Grattapaglia, 1995). Comparativamente aos RFLPs, os microssatélites proporcionam 3 a 4 vezes mais polimorfismo ou informação. Entretanto, para o uso rotineiro dos microssatélites, há a necessidade de primeiro amplificar uma região por PCR, determinar a seqüência de nucleotídios e em seguida, sintetizar os iniciadores específicos para cada loco. Uma vez feito isto, o loco marcador pode ser utilizado indefinidamente na espécie. O mapeamento genético e a caracterização de variedades, para fins de proteção e de conservação de várias espécies, está sendo feito com o uso dos marcadores microssatélites (Garcia et al., 2004; Vianna et al., 2006; Zucoloto et al., 2006). Outro uso é o estudo e caracterização de populações humanas (Kayser et al., 2003; Excoffier & Hamilton, 2003; Dellalibera et al., 2004) e de outros organismos (Magiafoglou & Hoffmann, 2003; Brasileiro et al., 2004).

Construção de mapas genéticos

O grande volume de marcadores genéticos disponíveis possibilita o desenvolvimento de densos mapas de ligação, uma ferramenta tanto para pesquisa básica quanto aplicada. Os marcadores de DNA segregam em proporções mendelianas e não interferem na segregação de outros genes. Quando em grande quantidade segregando num cruzamento, é possível a construção de um mapa genético de ligação, cuja densidade depende da quantidade de marcadores. Devido ao interesse médico ou econômico, algumas espécies de mamíferos também são exemplos de espécies que têm mapas gênicos em construção, como é o caso do homem (Schuler et al., 1996) e alguns primatas (De Pontbriand et al., 2002), de bovinos (El Nahas et al., 2001; Antoniou et al., 2002), do cavalo (Caetano et al., 1999), do cão (Dutra et al., 1996), do porco (Cirera et al., 2003) e do gato (O´Brien et al., 1997), além de outros. Entre as plantas, algumas espécies também têm mapas genéticos prontos ou em andamento, como Arabidopsis thaliana e Nicotiana tabacum, além do milho e outros cereais (Fourmann et al. 2002). Em insetos, a técnica de hibridização in situ tem sido aplicada especialmente em cromossomos politênicos, como nos gêneros Drosophila (Bonorino et al., 1993; Ruiz et al., 1997), Rhagoletis (Procunier & Smith, 1993), Aedes (Brown & Knudson, 1997) e Anopheles (Benedict et al., 1993), para localização de genes das famílias das proteínas de resposta ao choque térmico, genes ribossomais 18S e 5S e genes de amilase e esterase. Esta metodologia tem se mostrado útil também em estudos evolutivos, que comparam cromossomos politênicos entre D. melanogaster e outras espécies (Segarra et al., 1995; Ranz et al., 1997; Campos et al., 2006). A construção destes mapas utilizou diferentes técnicas, incluindo mapeamento paquitênico, hibridização in situ e análise de reassociação de DNA.

Considerações Finais

Toda esta trajetória dos marcadores genéticos na caracterizaçãoeidentificaçãodadiversidadebiológica e estabelecimento de relações evolutivas iniciou-se com os trabalhos de Mendel e Watson & Crick. Mendel estabeleceu o princípio da hereditariedade e Watson e Crick revelaram a estrutura do DNA e o princípio da complementariedade das bases AT e G-C, fundamental para o desenvolvimento dos marcadores de DNA e da tecnologia do DNA recombinante. Agora somos capazes de avaliar o grau de biodiversidade genética das espécies e populações e usar esta informação para sua conservação.

Como resultado geral da aplicação destas tecnologias observamos um grau inesperado de similaridade entreplantas, animais, microorganismos e o homem. Somos capazes também de alterar genomas e, portanto, as espécies existentes. O homem é a única espécie do planeta que pode alterar drasticamente o ambiente e as outras espécies, cabendo a nós, portanto, a utilização responsável de todas estas ferramentas em prol da manutenção da biodiversidade para as gerações futuras.

Agradecimentos

Ao Prof. Dr. André Esteves, organizador na UFPE do Seminário “Gestão Sustentável da Biodiversidade: Desafio do Milênio”, de onde partiu a iniciativa para a redação deste artigo.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  30 Out 2023
• Data do Fascículo
  Apr-Jun 2006

Histórico

• Recebido
  15 Out 2006