Contribuições à teoria da genética em populações

1) O equilíbrio em populações, inicialmente compostas de vários genotipos depende essencialmente de três fatores: a modalidade de reprodução e a relativa viabilidade e fertilidade dos genotipos, e as freqüências iniciais. 2) Temos que distinguir a) reprodução por cruzamento livre quando qualquer indivíduo da população pode ser cruzado com qualquer outro; b) reprodução por autofecundação, quando cada indivíduo é reproduzido por uma autofecundação; c) finalmente a reprodução mista, isto é, os casos intermediários onde os indivíduos são em parte cruzados, em parte autofecundados. 3) Populações heterozigotas para um par de gens e sem seleção. Em populações com reprodução cruzada se estabelece na primeira geração um equilíbrio entre os três genotipos, segundo a chamada regra de Hardy- Weinberg. Inicial : AA/u + Aa/v aa/u = 1 Equilibirio (u + v/2)² + u + v/2 ( w + v/2) + (w + v/2)² = p2 + 2 p o. q o. + q²o = 1 Em populações com autofecundação o equilíbrio será atingido quando estiverem presentes apenas os dois homozigotos, e uma fórmula é dada que permite calcular quantas gerações são necessárias para atingir aproximadamente este resultado. Finalmente, em populações com reprodução mista, obtemos um equilíbrio com valores intermediários, conforme Quadro 1. Frequência Genotipo Inicial mº Geração Final AA u u + 2m-1v / 2m+1 u + 1/2v Aa v 2/ 2m+2 v - aa w w + 2m - 1/ 2m + 1 v w + 1/2 v 4) Os índices de sobrevivencia. Para poder chegar a fórmulas matemáticas simples, é necessário introduzir índices de sobrevivência para medir a viabilidade e fertilidade dos homozigotos, em relação à sobrevivência dos heterozigotos. Designamos a sobrevivência absoluta de cada um dos três genotipos com x, y e z, e teremos então: x [ A A] : y [ Aa] : z [ aa] = x/y [ A A] : [ Aa] : z/ y [aa] = R A [ AA] : 1 [Aa] : Ra [aa] É evidente que os índices R poderão ter qualquer valor desde zero, quando haverá uma eliminação completa dos homozigotos, até infinito quando os heterozigotos serão completamente eliminados. Os termos (1 -K) de Haldane e (1 -S) ou W de Wright não têm esta propriedade matemática, podendo variar apenas entre zero e um. É ainda necessário distinguir índices parciais, de acordo com a marcha da eliminação nas diferentes fases da ontogenia dos indivíduos. Teremos que distinguir em primeiro lugar entre a eliminação durante a fase vegetativa e a eliminação na fase reprodutiva. Estas duas componentes são ligadas pela relação matemática. R - RV . RR 5) Populações com reprodução cruzada e eliminação. - Considerações gerais. a) O equilibrio final, independente da freqüência inicial dos genes e dos genotipos para valores da sobrevivência diferentes de um, é atingido quando os gens e os genotipos estão presentes nas proporções seguintes: (Quadro 2). po / qo = 1- ro / 1-Ra [AA] (1 - Ro)² . Rav [ Aa] = 2(1 - Ra) ( 1 - Ra) [a a} = ( 1 - Ra)² . RaA b) Fórmulas foram dadas que permitem calcular as freqüências dos genotipos em qualquer geração das populações. Não foi tentado obter fórmulas gerais, por processos de integração, pois trata-se de um processo descontínuo, com saltos de uma e outra geração, e de duração curta. 6) Populações com reprodução cruzada e eliminação. Podemos distinguir os seguintes casos: a) Heterosis - (Quadro 3 e Fig. 1). Ra < 1; Ra < 1 Inicial : Final : p (A)/q(a) -> 1-ra/1-ra = positivo/zero = infinito Os dois gens e assim os três genotipos zigóticos permanecem na população. Quando as freqüências iniciais forem maiores do que as do equilíbrio elas serão diminuidas, e quando forem menores, serão aumentadas. b) Gens recessivos letais ou semiletais. (Quadro 1 e Fig. 2). O equilíbrio será atingido quando o gen, que causa a redução da viabilidade dos homozigotos, fôr eliminado da população. . / c) Gens parcialmente dominantes semiletais. (Quadro 5 e Fig. 3). Rª ; Oz Ra < 1 Inicial : Equilibrio biológico Equilíbrio Matemático pa(A)/q(a) -> positivo /zero -> 1- Rq/ 1-Ra = positivo/negativo d) Genes incompatíveis. Ra > 1 ; Ra > 1; Ra > Ra Equílibrio/biológico p (A)/ q(a) -> positivo/zero Equilibrio matemático -> positivo/ zero -> zero/negativo -> 1-Ra/1 - Ra = negativo/negativo Nestes dois casos devemos distinguir entre o significado matemático e biológico. A marcha da eliminação não pode chegar até o equilíbrio matemático quando um dos gens alcança antes a freqüência zero, isto é, desaparece. Nos três casos teremos sempre uma eliminação relativamente rápida de um dos gens «e com isso do homozigoto respectivo e dos heterozigotòs. e) Foram discutidos mais dois casos especiais: eliminação reprodutiva diferencial dos dois valores do sexo feminino e masculino, -e gens para competição gametofítica. (Quadros 6 e 7 e Figs. 4 a 6). 7) População com autofecundação e seleção. O equilíbrio será atingido quando os genotipos estiverem presentes nas seguintes proporções: (Quadro 8); [AA] ( 0,5 - Ra). R AV [Aa] = 4. ( 0,5 - Ra) . (0.5 -R A) [aa] ( 0,5 - R A) . Rav Também foram dadas fórmulas que permitem calcular as proporções genotípicas em cada geração e a marcha geral da eliminação dos genotipos. 8)Casos especiais. Podemos notar que o termo (0,5 -R) nas fórmulas para as populações autofecundadas ocupa mais ou menos a mesma importância do que o termo (1-R) nas fórmulas para as populações cruzadas. a) Heterosis. (Quadro 9 e Fig. 7). Quando RA e Ra têm valores entre 0 e 0,5, obtemos o seguinte resultado: No equilíbrio ambos os gens estão presentes e os três heterozigotos são mais freqüentes do que os homozigotos. b) Em todos os demais casos, quando RA e Ra forem iguais ou maiores do que 0,5, o equilíbrio é atingido quando estão representados na população apenas os homozigotos mais viáveis e férteis. (Quadro 10). 9) Foram discutidos os efeitos de alterações dos valores da sobrevivência (Fig. 9), do modo de reprodução (Fig. 10) e das freqüências iniciais dos gens (Fig. 8). 10) Algumas aplicações à genética aplicada. Depois de uma discussão mais geral, dois problemas principais foram tratados: a) A homogeneização: Ficou demonstrado que a reprodução por cruzamento livre representa um mecanismo muito ineficiente, e que se deve empregar sempre ou a autofecundação ou pelo menos uma reprodução mista com a maior freqüência possível de acasalamentos consanguíneos. Fórmulas e dados (Quadro 11 e 12), permitem a determinação do número de gerações necessárias para obter um grau razoável de homozigotia- b) Heterosis. Existem dois processos, para a obtenção de um alto grau de heterozigotia e com isso de heterosis: a) O método clássico do "inbreeding and outbreeding". b) O método novo das populações balançadas, baseado na combinação de gens que quando homozigotos dão urna menor sobrevivência do que quando heterozigotos. 11) Algumas considerações sobre a teoria de evolução: a) Heterosis. Os gens com efeito "heterótico", isto é, nos casos onde os heterozigotos s mais viáveis e férteis, do que os homozigotos, oferecem um mecanismo especial de evolução, pois nestes casos a freqüência dos gens, apesar de seu efeito negativo na fase homozigota, tem a sua freqüência aumentada até que seja atingido o valor do equilíbrio. b) Gens letais e semiletais recessivos. Foi demonstrado que estes gens devem ser eliminados automáticamente das populações. Porém, ao contrário do esperado, não s raros por exemplo em milho e em Drosophila, gens que até hoje foram classificados nesta categoria. Assim, um estudo detalhado torna-se necessário para resolver se os heterozigotos em muitos destes casos não serão de maior sobrevivência do que ambos os homozigotos, isto é, que se trata realmente de genes heteróticos. c) Gens semiletais parcialmente dominantes. Estes gens serão sempre eliminados nas populações, e de fato eles são encontrados apenas raramente. d) Gens incompatíveis. São também geralmente eliminados das populações. Apenas em casos especiais eles podem ter importância na evolução, representando um mecanismo de isolamento.

Genes, chromosomes and development

Procura-se mostrar, no presente artigo, que nenhuma teoria micromerista consegue explicar os fenômenos genéticos, por não ser possível conferir a partículas a independência funcional relacionada com o trabalho que devem exercer de maneira específica no organismo. O fato dos gens se encontrarem em tôdas as células do organismo em desenvolvimento, mostra que essas entidades desenvolvem distintas atividades em diferentes tecidos. Mas acontece, que nem a microscopia eletrônica, nem a bioquímica, consegue descobrir nos cormossômios algo que possa corresponder ao conceito de gen-conta-de rosário da genética clássica. Entretanto, o cromossômio considerado como um todo pode com vantagem substituir os gens no seu papel de determinar os caracteres do organismo. Admitindo-se que os cromossômios se determinam com as células de que fazem parte, uns para trabalhar nos esboços de asas, outros nos de olhos, patas ou outras estruturas, compreende-se fàcilmente, que, por intermédio de distintos membros do clone que se inicia com a primeira divisão do ovo, uma dada sorte de cromossômio, funcionando como um todo especializado, pode exercer as atividades específicas que lhe são atribuídas. E isso, de pleno acôrdo com a embriologia experimental.

Molecular karyotype analysis and mapping of housekeeping genes to chromosomes of selected species complexes of Leishmania

The molecular karyotypes for 20 reference strais of species complexes of Leishmania were determined by contour-clamped homogeneous eletric field (CHEF) electrosphoresis. Determination of number/position of chromosome-sized bands and chromosomal DNA locations of house-keeping genes were the two criteria used for differentiating and classifying the Leishmania species. We have established two gel running conditions of optimal separation of chromosomes, wich resolved DNA molecules as large as 2,500 kilobase pairs (kb). Chromosomes were polymorphic in number (22-30) and size (200-2,500 kb) of bands among members of five complexes of Leishmania. Although each stock had a distinct karyotype, in general the differences found between strains and/or species within each complex were not clear enough for parasite identification. However, each group showed a specific number of size-concordant DNA molecules, wich allowed distinction among the Leishmania complex parasites. Clear differences between the Old and New world groups of parasites or among some New World Leishmania species were also apparent in relation to the chromosome locations of beta-tubulin genes. Based on these results as well as data from other published studies the potencial of using DNA karyotype for identifying and classifying leishmanial field isolates is discussed.

Transfer of toxin genes to alternate bacterial hosts for mosquito control

Mosquitoes are vector of serious human and animal diseases, such as malaria, dengue, yellow fever, among others. The use of biological control agents has provide an environmentally safe and highly specific alternative to the use of chemical insecticides in the control of vector borne diseases. Bacillus thuringiensis and B. sphaericus produce toxic proteins to mosquito larvae. Great progress has been made on the biochemical and molecular characterization of such proteins and the genes encoding them. Nevertheless, the low residuality of these biological insecticides is one of the major drawbacks. This article present some interesting aspects of the mosquito larvae feeding habits and review the attempts that have been made to genetically engineer microorganisms that while are used by mosquito larvae as a food source should express the Bacillus toxin genes in order to improve the residuality and stability in the mosquito breeding ponds.

Sequencing and identification of expressed Schistosoma mansoni genes by random selection of cDNA clones from a directional library

We have initiated a gene discovery program in Schistosoma mansoni based on the technique of Expressed Sequence Tags (ESTs), i.e. partial sequences of cDNAs obtained from single passes in automatic DNA sequencers. ESTs can be used to identify genese onf the basis of their homology whith sequences from other species deposited in DNA or protein databases. Trasncripts with sequences without matches in teh databases may represent novel parasite-specific genes. This approach has shown to be very efficient and in less than two years a broad range of novel genes has already been ascertained, more than doubling the number of known S. mansoni genes.

Genes and Chromosomes of Leishmania infantum

During recent years, several Leishmania infantum genes have been cloned and characterized. Here, we have summarized the available information on the gene organization and expression in this protozoan parasite. From a comparative analysis, the following outstanding features were found to be common to most of the genes characterized: tandemly organized genes with conserved coding regions and divergent untranslated regions, polycistronic transcription and post-transcriptional regulation of gene expression. The analysis of chromosomes of L. infantum by pulsed-field electrophoresis showed the existence of both size and number polymorphisms such that each strain has a distinctive molecular karyotype. Despite this variability, highly conserved physical linkage groups exists among different strains of L. infantum and even among Old World Leishmania species. Gene mapping on the L. infantum molecular karyotype evidenced a bias in chromosomal distribution of, at least, the evolutionary conserved genes

The Amazonia Variant of Vibrio cholerae: Molecular Identification and Study of Virulence Genes

The pathogenic O1 Amazonia variant of Vibrio cholerae has been shown previously to have a cytotoxin acting on cultured Vero and Y-1 cells, and to lack important virulence factors such as the cholera toxin (Coelho et al. 1995a). This study extends the molecular analysis of the Amazonia strains, detecting the presence of the toxR gene, with a very similar sequence to that of the El Tor and classical biotypes. The outer membrane proteins are analyzed, detecting a variation among the group of Amazonia strains, with three different patterns found. As a by-product of this work a polymerase chain reaction fragment was sequenced, reading part of the sequence of the Lon protease of the Amazonia strains. This gene was not previously described in V. cholerae, but its sequence is present in the TIGR database specific for this species.

Molecular characterisation of intermediate snail hosts and the search for resistance genes

The relationship between schistosomes and their intermediate hosts is an extremely intricate one with strains and species of the parasite depending on particular species of snail, which in turn may vary in their susceptibility to the parasites. In order to gain a better understanding of the epidemiology of the disease we have been investigating the use of molecular markers for snail identification and for studying host-parasite relationships. In this paper we will draw on examples concerning schistosomiasis in West and East Africa to illustrate how a molecular analysis can be used as part of a "total evidence" approach to characterisation of Bulinus species and provide insights into parasite transmission. Particular emphasis is given to ribosomal RNA genes (rRNA), random amplified polymorphic DNA (RAPDs) and the mitochondrial gene cytochrome oxidase I (COI). Snails resistant to infection occur naturally and there is a genetic basis for this resistance. In Biomphalaria glabrata resistance to Schistosoma mansoni is known to be a polygenic trait and we have initiated a preliminary search for snail genomic regions linked to, or involved in, resistance by using a RAPD based approach in conjunction with progeny pooling methods. We are currently characterising a variety of STSs (sequence tagged sites) associated with resistance. These can be used for local linkage and interval mapping to define genomic regions associated with the resistance trait. The development of such markers into simple dot-blot or specific PCR-based assays may have a direct and practical application for the identification of resistant snails in natural populations.

Programmed Cell Death in Procyclic Form Trypanosoma brucei rhodesiense - Identification of Differentially Expressed Genes during Con A Induced Death

Trypanosoma brucei rhodesiense can be induced to undergo apoptosis after stimulation with Con A. As cell death in these parasites is associated with de novo gene expression we have applied a differential display technique, Randomly Amplified Differential Expressed Sequence-Polymerase Chain Reaction (RADES-PCR) to the study of gene expression during Con A induced cell death in these organisms. Twenty-two differentially displayed products have been cloned and sequenced. These represent the first endogenous genes to be identified as implicated in cellular death in trypanosomatids (the most primitive eukaryote in which apoptosis has been described). Evidence for an ancestral death machinery, `proto-apoptosis' in single celled organisms is discussed.