Barbara McClintock e a Descoberta de Genes Saltadores (Transposons)
Experimentos de melhoramento de milho do McClintock desde as primeiras descrições detalhadas de elementos transponíveis. O que exatamente são esses "genes saltadores", e por que eles são tão importantes?
Algumas das mais profundas descobertas genéticas têm sido feitas com a ajuda de vários organismos modelo que são favorecidas por cientistas para a sua disponibilidade e facilidade de manutenção e proliferação generalizada. Um tal modelo é Zea mays (milho), particularmente aquelas plantas que produzem grãos de variavelmente colorido. Porque cada kernel é um embrião produzido a partir de uma fertilização indivíduo, centenas de crias pode ser marcado em uma única orelha, fazendo com que o milho um organismo ideal para análise genética. Na verdade, o milho provou ser o organismo perfeito para o estudo de elementos transponíveis (TEs), também conhecidos como "genes saltadores", que foram descobertos durante a parte do meio do século XX pelo cientista americana Barbara McClintock. O trabalho de McClintock foi revolucionário em que ele sugeriu que genoma de um organismo não é uma entidade fixa, mas está sujeito a alteração e rearranjo-um conceito que foi recebida com críticas por parte da comunidade científica na época. No entanto, o papel dos transposões, eventualmente, tornou-se amplamente apreciado, e McClintock foi agraciada com o Prêmio Nobel em 1983, em reconhecimento desta e de suas muitas outras contribuições para o campo da genética.
McClintock e as origens da Citogenética
Barbara McClintock começou sua carreira científica na Universidade de Cornell, onde ela foi pioneira no estudo da citogenética-um novo campo no milho-1930, utilizando como organismo modelo. Na verdade, o casamento de citologia e genética tornou-se oficial em 1931, quando McClintock ea estudante Harriet Creighton forneceu a primeira prova experimental de que os genes foram fisicamente posicionado nos cromossomos por descrever o fenômeno crossing-over e recombinação genética. Embora Thomas Hunt Morgan foi a primeira pessoa a sugerir a ligação entre características genéticas eo intercâmbio de material genético através de cromossomos, 20 anos se passaram antes suas idéias foram cientificamente comprovados, em grande parte devido às limitações na citológico e técnicas experimentais (Coe & Kass, 2005) . Próprias técnicas de citogenética inovadoras de McClintock lhe permitiu confirmar as idéias de Morgan, e estas técnicas são contados entre suas maiores contribuições para a ciência.
Descobrindo TEs com a experimentação com milho
Um diagrama de ciclo de vida circular mostra a libertação de dois sporocytes diplóides de uma planta com flor. O desenvolvimento de um sporocyte num grão de pólen e o segundo sporocyte numa célula do ovo é mostrado utilizando uma série de ilustrações esquemáticas ligados por setas. As cinco etapas que compõem a metade superior do diagrama são rotulados como a porção diplóide (2n) do ciclo de vida. As cinco etapas que compõem a metade inferior do diagrama são rotulados como o (N) haplóide porção do ciclo de vida. O evento de dupla fertilização aparece no meio do desenho, na zona de transição a partir da porção haplóide do ciclo de vida para a porção diplóide do ciclo de vida, e é enfatizado com uma caixa realçada.
Como mencionado anteriormente, McClintock é mais conhecido por sua descoberta de elementos de transposição através da experimentação com o milho. No entanto, a fim de compreender as observações de McClintock e a lógica que levou à sua descoberta da EA, é necessário primeiro estar cientes de que o sistema fenotípica McClintock estudou-o padrão de cores variadas de milho kernels-envolve três alelos mais que as duas usuais.
Para entender melhor essa idéia, considere cada grão de milho como um único indivíduo, originário, como um óvulo que passou por fertilização dupla. Durante a fertilização de casal, um espermatozóide se funde com o núcleo do óvulo, produzindo um zigoto diplóide que irá evoluir para a próxima geração. Enquanto isso, as outras mechas de esperma com os dois núcleos polares para formar um endosperma triplóides, que forma uma camada exterior de proteínas conhecida como a camada de aleurona. Como resultado, a cor (incolor ou, conforme o caso pode ser) o tecido que constitui a camada de aleurona do núcleo é triplóides, não diplóide.
O Ac / Ds Sistema de Transposable Elements
A fotografia mostra duas fileiras horizontais de grãos em uma espiga de milho. Os seis núcleos na linha superior são uma cor pálida, bege. Um deles tem manchas marrons escuras e manchas, enquanto quatro têm manchas roxas e manchas, e um tem manchas vermelhas e manchas. Quatro kernels da linha inferior são uma cor pálida, bege sem manchas. Um quinto do kernel é salpicado de vermelho. Um sexto do kernel é uma cor marrom escuro.
Variação de fenótipos do kernel é utilizado para estudar o comportamento transposon.
Kernels em um milho orelha mostram fenótipos instáveis devido à interação entre um elemento transponível (TE) e um gene do pigmento.
McClintock trabalhou com o que é conhecido como o sistema de Ac / Ds no milho, que ela descobriu através da realização de experimentos de melhoramento genético padrão com um fenótipo incomum. Através dessas experiências, McClintock reconheceu que a ruptura ocorreu em locais específicos nos cromossomos de milho. Na verdade, o primeiro elemento transponível ela descobriu foi um local de quebras cromossômicas, apropriadamente chamado "dissociação" (Ds). Embora McClintock, eventualmente, descobriu que alguns EA pode "saltar" de forma autônoma, ela inicialmente observou que os movimentos de Ds são regulados por um elemento autônomo chamado de "ativador" (Ac), que também pode promover a sua própria transposição.
Claro, essas descobertas foram precedidas de criação extensiva experimentação. Ele era conhecido no momento do trabalho anterior por Rollins A. Emerson, outro geneticista milho americano e do "rediscoverer" das leis de Mendel da herança, que o milho tinha genes que codificam kernels variegadas ou multicoloridas,; estes kernels foram descritos como incolor (embora eles foram realmente branco ou amarelo), com exceção de pontos ou manchas de roxo ou marrom (Figura 2). Emerson tinha proposto que o estrias variegada era devido a uma "mutação instável," ou uma mutação para o fenótipo incolor que, por vezes, reverter para a sua variante de tipo selvagem e resultar em uma área de cor. No entanto, ele não poderia explicar por que ou como isso ocorreu. Como McClintock descobriu, a mutação instável Emerson intrigado com era na verdade um sistema de quatro genes, conforme descrito na Tabela 1.
Tabela 1: Milho genes estudados por Barbara McClintock
Gene Descrição
Alelo dominante C 'no braço curto do cromossoma 9 que impede cor de ser expresso na camada de aleurona do grão de milho, causando um assim chamado fenótipo "incolor" (que é, na verdade, branco ou amarelo). Isto também é conhecido como o inibidor de alelo.
C alelo recessivo no braço curto do cromossoma 9 que leva a colorir desenvolvimento.
Bz alelo dominante no braço curto do cromossoma 9 que conduz a um fenótipo roxo.
BZ alelo recessivo no braço curto do cromossoma 9 que conduz a um fenótipo castanho escuro.
Ds localização genética no braço curto do cromossoma 9 na qual ocorre quebra de cromossomas.
Como fator de local desconhecido (pelo menos quando McClintock estava conduzindo sua pesquisa) que os impactos da expressão de Ds.
Adaptado de McClean, 1997
Em seus experimentos, McClintock criados fêmeas que eram homozigotos para C e BZ e que careciam de Ds (CCbzbz-- denotado, onde os traços indicam a ausência de alelos DS) com os machos que eram homozigotos para C ', Bz e Ds (denotado C 'C'BzBzDsDs) para se obter heterozigotos com uma camada de aleurona que tinham o genótipo C'CCBzbzbz - DS. (Lembre-se, em dupla fertilização, o espermatozóide fornece um conjunto de alelos, eo ovo fornece dois.) Por causa da presença do inibidor dominante alelo C ', os kernels prole eram esperados para ser incolor, não importa o que sua composição genética em o locus / BZ Bz. Na verdade, após cruzamento, muitos destes núcleos eram de facto incolor. No entanto, McClintock também observaram muitos kernels com fundos incolores e quantidades variáveis de manchas marrons escuras ou listras, e ela concluiu que células individuais nesses kernels tinham perdido a C 'e alelos Bz por causa de uma ruptura cromossômica no locus Ds. Sem qualquer alelo do C "(para impedir a expressão de cores) ou o Bz (roxo) alelo, as células que haviam sofrido uma quebra no locus Ds terminou com alguma coloração marrom.
Dentro das sementes afetadas, a quantidade de listras coloridas ou manchas dependia quando, durante o desenvolvimento da semente a mutação de células somáticas no Ds ocorreu. Se esta mutação ocorreu no início de desenvolvimento, a seguir, como a uma célula mutante continuaram a dividir-se, mais as células no núcleo madura teria o fenótipo acastanhada, e o ponto ou traço de cor sobre o núcleo seria maior. Por outro lado, se a mutação ocorreu mais tarde no desenvolvimento, as manchas seria menor, porque o kernel sofreria menos divisão celular antes da maturidade.
Expressão da Ds em Maize
McClintock também realizou experimentos adicionais para demonstrar que o efeito fenotípico de Ds dependia da presença de um outro elemento, que ela chamou Ac. McClintock teve problemas para mapear tanto os elementos Ac e DS, no entanto, notar que eles mudaram suas posições no cromossoma em diferentes plantas de milho. De facto, as experiências mostraram que o Ds não apenas quebrar cromossomas, mas pode realmente deslocar de um local para outro cromossómico. Ds Quando se insere o alelo Bz, por exemplo, faz com que uma mutação no gene Bz (Ac mas apenas quando está presente), destruindo assim a capacidade do gene para produzir Bz qualquer pigmento de todo. Ds também pode excisar do alelo Bz (novamente, apenas na presença de Ac), fazendo com que Bz para voltar ao seu fenótipo roxo ou castanho. Mais uma vez, a quantidade de roxo ou marrom depende de quando durante o desenvolvimento Ds é inserido ou cortado. Se excisão ocorre antes da fertilização, em seguida, o kernel afectada será inteiramente roxo ou castanho, dependendo do genótipo / BZ Bz.
Anos depois McClintock descobriu o sistema Ac / Ds, os cientistas finalmente conseguiram estudar ambos os TEs em detalhes muito mais molecular. Hoje, sabemos que elementos Ac são cerca de 4.500 pares de bases de comprimento e têm uma estrutura semelhante a outros transposons de DNA.
McClintock ea Teoria da Epigenética
Além de sua descoberta da EA e suas técnicas de investigação citogenética revolucionárias, Barbara McClintock também foi o primeiro cientista a especular corretamente no conceito básico da epigenética, ou mudanças hereditárias na expressão gênica que não são causados por alterações em seqüências de DNA. Principalmente, ela reconhecido que os genes podem ser expressos e silenciada durante a mitose em células geneticamente idênticas. McClintock propôs esta teoria antes que a estrutura molecular do DNA e mais de 40 anos antes de o conceito de epigenética foi formalmente estudada, assim cimentar ainda mais a sua reputação como um inovador em seu campo.
Resumo
Descoberta de elementos transponíveis em Zea mays de Barbara McClintock mudou a forma como os cientistas pensam sobre os padrões de herança genética. Embora não seja amplamente aceito no momento da sua descoberta, a observação de McClintock do comportamento dos alelos cor do kernel foi revolucionário em sua proposta de que a replicação do genoma nem sempre segue um padrão consistente. De fato, como resultado de tanto a transposição autónoma e controlado-activador em diferentes fases do desenvolvimento das sementes, os genes de grãos de milho são capazes de produzir uma variedade de padrões de coloração. Com o tempo, o trabalho de McClintock com EA se tornou amplamente aceita, e McClintock finalmente ganhou um Prêmio Nobel por suas descobertas nesta área. Hoje, McClintock também é reconhecida por suas técnicas de citogenética inovadoras, bem como suas primeiras especulações sobre o conceito de epigenética. Graças a estas e outras contribuições valiosas para o campo, Barbara McClintock é justamente visto como uma das figuras pioneiras em genética moderna.
Referências e Leitura recomendada
Coe, E., & Kass, LB Prova de troca física de genes nos cromossomos. Anais da Academia Nacional de Ciências 102, 6641-6646 (2005)
Creighton, HB, e McClintock, B. A correlação da citologia e genética crossing-over em Zea mays. Proceedings of the National Academy of Sciences 17, 492-497 (1931) (link para o artigo)
Feschotte, C., et al. Planta elementos transponíveis: Quando genética encontra genômica. Nature Reviews Genetics 3, 339-341 (2002) doi: 10.1038 / nrg793 (link para o artigo)
McClintock, M. A Ordem dos Genes C, SH e Wx em Zea Mays com referência a um ponto citologia Conhecido no cromossomo. Proceedings of the National Academy of Sciences 17, 485-491 (1931)
McClintock, B. loci mutável no milho. Carnegie Institution of Washington Yearbook 50, 174-181 (1951) (link para o artigo)
McLean, P. McClintock e os elementos de transposição Ac / Ds de milho, www.ndsu.nodak.edu/instruct/mcclean/plsc431/transelem/trans1.htm (1997)
