Projeto Genoma Humano

1. Projeto Genoma Humano Prof. Alexandre S. Osório

2. O QUE É UM GENOMA • É o conjunto haplóide de cromossomos de uma espécie. • O projeto genoma humano analisou 24 cromossomos humanos. • 22 autossomos + X + Y • Podemos considerar o genoma como o conjunto de todo material genético de um ser vivo.

3. COMPOSIÇÃO DO GENOMA HUMANO

4. Projeto Genoma Humano Objetivo Mapear o patrimônio genético do Homem

5. Projeto Genoma Humano • Avanço na Medicina • Preventiva • Diagnóstico (específico, sensível, efetivo e seguro) • Tratamento (desenhos de fármacos específicos)

6. Projeto Genoma Humano • O arranjo linear dos nossos cromossomos fazem parte da nossa micro-anatomia. • Histórico: • 1543- corporis humani Fabrica por Andreas Vesalius; • 1628- fisiologia da circulação por Harvey; • 1761- anatomia mórbida por Morgagni.

7. Projeto Genoma Humano 1956- Evolução da Genética Médica • 1956- Estabelecimento do número de cromossomos e a determinação da estrutura de dupla-hélice do DNA por Watson e Crick; • 1959, descrita a 1º síndrome (Down). Nos anos 60 uma série de anormalidades começaram a ser descritas (nº, translocação, deficiência, mosaicos, triploidias e microdeleções).

8. Projeto Genoma Humano Mapeamento Genético • Provavelmente o 1º gene a ser mapeado foi o do Daltonismo (1911-1968) • 1980- análise de células somáticas através do uso de sondas (“diretamente no gene afetado); • Construção de marcadores genéticos para serem utilizados em famílias (RFLP, Seq TANDEM, Microsatélites, etc).

9. Projeto Genoma Humano O Sequenciamento do Genoma Humano – A última anatomia Antes mesmo do lançamento do PGH ser lançado uma variedade genes já haviam sido descritos; • 1944- 1ª apresentação do material genético por Avery, McLeod e McCArty em pneumococcus; • 1953- Watson e Crick deduziram a dupla-hélice do DNA por difração de radiografia; • 1966- dedução dos nucleotídeos (para codificação de aa); • 1960s – Uso de enzimas de restrição; • 1970s- Clonagem de genes em plasmídeos bacterianos e a técnica do DNA recombinante;

10. Projeto Genoma Humano • 1980- O Departamento de Energia dos EUA propõem do sequenciamento do genoma humana devido a preocupação de mutações ocorridas devido a radiação que seus trabalhadores estavam expostos.

11. Projeto Genoma Humano Década de 1980- Primeiras discussões  PGH; 1984- PG: EUA  mapear patrimônio genético humano. Japão e Austrália: organismo de coordenação internacional HUGO (Human Genome Organization)  facilitar e coordenar  mapear, sequenciar e analisar: genoma humano e sua aplicação; 1990- PGH internacional: pesquisadores americanos e europeus.

12. Projeto Genoma Humano • 1988- acreditava-se que o mapeamento e o seq. completo do genoma humano seria possível ser feito em 10-15 anos (2005), com um custo de $200 milhões de dólares as ano liberado pelo congresso nacional americano. • O Comitê assessor do PGH recomendou que se fizesse o seq. a partir da construção dos mapas genéticos e físicos dos cromossomos e que fossem sendo feitos modelos de outros organismos em paralelo.

13. Projeto Genoma Humano • 01/10/1990: foi lançado nos EUA do PGH: patrocinado pelo NIH (National Institutue of Health) e pelo DOE (Departament of Energy). • Foi criado o grande consórcio mundial para o seq. do genoma humano formado pela Europa, Japão e Austrália. • HUGO ( Human Genome Organization)- sintonizar o trabalho e organizar o conhecimento em um banco de dados.

14. Projeto Genoma Humano • Abril de 2003 durante as comemorações de 50 anos da molécula de DNA. – 96% do genoma. • Os 6% restante são regiões que ainda hoje não se possui meios de serem analisadas. Essas regiões são basicamente os centrômeros e os telômeros dos cromossomos, que representam o centro e as extremidades de um cromossomo, respectivamente. A dificuldade em se analisar essas regiões se deve a grande quantidade de repetições de DNA e regiões de extremo condensamento.

15. Projeto Genoma Humano No dia 4 de Setembro de 2007, o grupo de pesquisa do Instituto J. Craig Venter publicou a sequência completa do genoma do próprio pesquisador Craig Venter (Venter, et al 2007). A grande revolução nesse novo trabalho é a de que o genoma avaliado corresponde ao genoma diplóide, contendo a informação de cada par de cromossomo herdado de nossos pais, ao contrário da sequência determinada pelo Projeto Genoma que corresponde ao genoma haplóide. Como resultado, descobriu-se que a diferença das sequências genéticas entre dois indivíduos é de 99,5% e não de 99,9% como se imaginava ao fim do Projeto Genoma Humano.

16. Projeto Genoma Humano Quem participa do PGH ? • Setor Público  dados - qualidade e precisão: detalhes das células humanas. • Setor Privado  genes de interesse. • 18 Países : Alemanha, Austrália, Brasil, Canadá, China, Coréia, Dinamarca, EUA, França, Holanda, Israel, Itália, Japão, México, Reino Unido, Rússia, Suécia e União Européia.

17. MAPEAMENTO E SEQUENCIAMENTO DO GENOMA GENOMA: DNA  células - determinado organismo. • Mapeamento  Divisão dos cromossomos  fragmentos menores  propagados, caracterizados e ordenados  respectivas posições nos cromossomos. • Sequenciamento  Seqüência de bases  fragmentos de DNA já ordenados  genes na seqüência do DNA.

18. VANTAGENS DO PGH • Doençasfator genético; • Tecnologias clínicas  diagnósticos de DNA; • Terapiasnovas classes de remédios; • Técnicas imunoterápicas;

19. Projeto Genoma Humano • Prevenção Doenças condições ambientais: mal de Alzheimer, hipertensão, obesidade, artrite reumática, suscetibilidade ao câncer de mama e ovário, osteoporose, câncer do cólon, doenças cardiovasculares, mal de Parkinson, calvície; • Genes defeituosos  Terapia Gênica • Drogas medicinais  organismos geneticamente alterados

20. Projeto Genoma Humano Filme Projeto Genoma Humano

21. Projeto Genoma Humano • Mapeamento • Sequenciamento • Etapas do Sequenciamento COMO É FEITO O SEQUENCIAMENTO • Picotando o DNA • Clonagem • Marcação com Fluorescência • Separação • Leitura

22. Ver animação!!! Fig . 1 : Bases nitrogenadas do DNA Fig . 3: Fragmentos de DNA separados pelo tamanho Fig . 2 : Cromatograma de 4 cores Fig . 4 : Dados processados 1. Picotando o DNA 4. Separação 2. Clonagem 3. Marcação com Fluorescência 5. Leitura

23. Projeto Genoma Humano • Os resultados são mostrados num cromatograma de quatro cores. • Depois os computadores reúnem as seqüências em longos e contínuos trechos.

24. Projeto Genoma Humano • 1º organismo livre seq. foi a bactéria Haemophilus influenzae, com 1800 genes que codificam proteínas. Este seq. foi feito pelo grupo do J. Craig Venter utilizando a técnica de aproximação. • Helicobacter pylori, Mycobacterium tuberculosis e Treponema pallidum. • 1996- 1º eucarioto seq. completamente, o Saccharomyces cereviae. • 1998- 1º organismo multicelular completamente seq. foi o nematoíde Caenorhabditis elegans. • 2000/ março – Drosophila melanogaster.

25. ALGUNS GENOMAS FINALIZADOS

26. Projeto Genoma Humano • 26 de junho de 2000 • Na Casa Branca, Colins e Venter anunciaram a conclusão inicial do PGH • O grupo do Colins publicou na “Nature” • O grupo do Venter publicou na “Science” A maior conclusão deste grande projeto foi explicar que a complexidade do ser humano esta baseada codificação de diferentes proteínas e não no número de genes.

27. Venter et al. • Colins et al.

28. Projeto Genoma Humano • Abril de 2003 : seqüência completa. • O sequenciamento do genoma humano não corresponde ao genoma específico de determinada pessoa. • Estima-se que 99.9% da seqüência seja exatamente a mesma entre todos os seres humanos. • O Tamanho dos genes varia enormemente: gene médio = 3.000 bases • Maior gene conhecido: distrofina (2.4 milhões de bases). • Cromossomo 1 tem a maioria dos genes (2.968), e o Y a menor parte (231).

29. Sequenciamento dos genes “É cada vez maior o esforço dos cientistas para colocar à disposição um número crescente de genomas inteiros sequenciados dos mais diferentes organismos.”

30. Fig.7 : Representação do mapeamento genético no cromossomo humano

31. Projeto Genoma Humano • O DNA humano é formado por 3.1 bilhões de pares de base, com 4 nucleotídeos diferentes (A, C, G, T). Essas combinações se repetem ao longo do genoma em diferentes ordens para formar aa, que combinado formaram as proteínas necessárias. • Ele é formado por grandes desertos e alguns oásis. Só 3% do DNA contém regiões codificadoras (centrais). • O genoma humano é idêntico em 99,5%, os 0,1% é que traz as variações e pistas de muitas doenças “A complexidade dos seres humanos surgiu de alguma outra fonte” Colins 12/02/01

32. Projeto Genoma Humano • O Brasil também participou do Projeto Genoma Humano . • As principais iniciativas tomadas foram a da clonagem dos genes pelo laboratório da pesquisadora Mayana Zatz; • Projeto Genoma Humano do Câncer está em andamento graças a união da Fapesp, Instituto Ludwig, Unicamp, EPM e da Faculdade de Medicina da USP; • O Genoma Cana leva o Brasil a liderar a pesquisa em genoma de plantas (Copersucar à FAPESP em 1998) • O seqüenciamento de uma praga de lavoura de laranja chamada de Xylellafastidiosa.

33. Projeto Genoma Humano

35. Fig . 8 : Representação da porcentagem dos tipos de câncer Câncer e o Projeto Genoma

36. Genoma Câncer • Pretende gerar entre 500mil e 700mil sequenciamentos • Acesso a regiões codificadoras ainda não explorados • Elucidação no sequenciamento genético do Homo sapiens • Descoberta (???) da cura do câncer

37. Projeto Genoma Humano • O Futuro: A Medicina do Século 21 • Saber a função de todas essas proteínas • Saber as variações, padrões, estruturas e fenótipos • Identificar alelos para suscetibilidade • Buscar marcadores • Especificar diagnósticos (mendelianos ou não) • Conhecer a vulnerabilidade ou resistência • Influência: medicina reprodutiva, preditiva, no conceito de doenças que levem os médicos a interpretar genes como hemogramas, diagnósticos específicos e clínicos, caracterização precisa das doenças, busca de terapias personalizadas (fármacos), impressão digital dos tumores (2020).

39. EXERCÍCIOS 1) (Unifesp-2004) Em abril de 2003, a finalização do Projeto Genoma Humano foi noticiada por vários meios de comunicação como sendo a “decifração do código genético humano”. A informação, da maneira como foi veiculada, está a) correta, porque agora se sabe toda a seqüência de nucleotídeos dos cromossomos humanos. b) correta, porque agora se sabe toda a seqüência de genes dos cromossomos humanos. c) errada, porque o código genético diz respeito à correspondência entre os códons do DNA e os aminoácidos nas proteínas. d) errada, porque o Projeto decifrou os genes dos cromossomos humanos, não as proteínas que eles codificam. e) errada, porque não é possível decifrar todo o código genético, existem regiões cromossômicas com alta taxa de mutação. CORRETA : LETRA C

40. 2) O bacteriófago t2 tem como material genético uma molécula de DNA com cerca de 3600 nucleotídeos, que compreendem três genes. Admitindo que esses três genes tenham aproximadamente as mesmas dimensões e que a massa molecular média dos aminoácidos seja igual a 120, cada uma das proteínas por eles codificada deve ter uma massa molecular aproximada de: a) 48000 d) 12 000 b) 24 x 103 e) 144 x 103 c) 4 x 102 RESOLUÇÃO: 3600 nucleotídeos / 3 genes = 1200 nucleotídeos em cada gene. 3 nucleotídeos ----------- 1 aminoácido 1200 nucleotídeos ------- X aminoácidos X = 400 aminoácidos em cada proteína.

41. 400 aminoácidos x 120 massa molecular média 48 000 massa molecular das proteínas RESPOSTA : LETRA A

42. 3) (UnB – DF) Cientistas norte-americanos e britânicos conseguiram, pela primeira vez, identificar todos os elementos que compõem o genoma de um animal, um verme conhecido como Caenorhabditis elegans. O trabalho, realizado durante oito anos por equipes da Universidade de Washington, de Saint Louis (EUA), e do Centro Sanger de Carnbridge (Grã-Bretanha), permitiu que fossem identificados os 97 milhões de pares de bases e os cerca de 20 mil genes que constituem o ácido desoxirribonucléico (DNA) do animal. O Estado de s. Paulo, 11/12/98 (com adaptações). Supondo que todos os genes mapeados codifiquem proteínas e que uma proteína possui, em média, 200 aminoácidos, calcule a porcentagem do genoma do Caenorhabditis elegans representada pelas regiões codificadoras de proteínas. Despreze a parte fracionária de seu resultado, caso exista.

43. RESOLUÇÃO : 20 000 genes = 20 000 proteínas = 2 x 104 proteínas. 2 x 104 proteínas x 200 aminoácidos 400 x 104 = 4 x 106 aminoácidos em todas as proteínas do verme. 3 nucleotídeos ------------ 1 aminoácido X nucleotídeos ----------- 4 x 106 aminoácidos X = 12 x 106 nucleotídeos (que codificam todas as proteínas do verme)

44. 97 000 000 de pb. = 97 x 106 pb. 97 x 106 ----------------- 100% 12 x 106 ----------------- X X = 1200/97 = 12,37 % RESPOSTA: 12

45. 4) As duas principais revistas científicas do planeta, a inglesa Nature e a norte-americana Science, publicaram, dia 12/02/2001, uma das conquistas mais aguardadas dos últimos tempos: a conclusão do seqüenciamento do genoma humano. A grande novidade, no final dos estudos, foi que o número de genes identificados (cerca de 30 mil) é bem mais tímido do que o inicialmente aguardado (em torno de 140 mil). Os trabalhos desenvolvidos pela empresa de biotecnologia Celera e o Projeto Genoma Humano (PGH), formado por 16 instituições públicas de pesquisa, permitiram a identificação quase total dos 3 bilhões de pares de bases que constituem o ácido desoxirribonucléico dos humanos. (http://noticias.correioweb.com.br, com adaptações) Supondo que todos os genes mapeados codifiquem proteínas e que uma proteína possui, em média, 200 aminoácidos, calcule a porcentagem do genoma humanorepresentada pelas regiões codificadoras de proteínas. a) 0,6% d) 2,5% b) 1% e) 50% c) 1,6%

46. RESOLUÇÃO: 30 000 genes = 30 000 proteínas = 3 x 104 proteínas 3 x 104 proteínas x 200 aminoácidos 600 x 104 aminoácidos em todas as proteínas humanas 3 nucleotídeos ------------- 1 aminoácido X nucleotídeos ------------ 6 x 106 aminoácidos X = 18 x 106 nucleotídeos (codificam todas as proteínas humanas) 3 000 000 000 pb = 3 x 109 pb 3 x 109 ---------------- 100% 18 x 106 ---------------- X X = 18 x 108 / 3 x 109 X = 18/30 = 0,6 % RESPOSTA: LETRA A

47. 5) O gene supressor de tumor p-53 é um dos principais alvos de mutação durante o processo de carcinogênese. Está localizado no braço curto do cromossomo 17 e codifica a nucleoproteína p-53 que é responsável pela regulação da transcrição nuclear, funcionando como um “policial molecular”. Se a célula for exposta a agentes mutagênicos externos a p-53 acumula-se no núcleo freando o ciclo celular em G1, dando tempo para que a célula repare seu DNA. Caso a célula não o repare, a p-53 dispara a morte celular por apoptose. Na versão mutagênica desse gene, a célula que sofre lesão em seu material genético não tem sua divisão celular interrompida e deste modo, o dano celular se transmite às células filhas. A mutação de p-53 não causa a transformação maligna sozinha, porém predispõe a célula a outras mutações que a levarão a uma transformação maligna. Baseando-se no texto e em conhecimentos correlatos, responda ao que se pede. a) Sabendo que a p-53 é uma proteína constituída por 393 aminoácidos, quantos nucleotídeos serão necessários apenas para a codificação desses aminoácidos? b) Quantos códons serão necessários para a síntese dos 393 aminoácidos? Justifique.

48. RESOLUÇÃO : • 3 nucleotídeos --------------- 1 aminoácido X nucleotídeos --------------- 393 aminoácidos X = 1179 nucleotídeos • 3 nucleotídeos = 1 códon = codificação de 1 aminoácido, logo 393 aminoácidos = 393 códons.

49. 6) Galactosemia: incapacidade de transformar galactose em glicose As reações bioquímicas que envolvem a galactose – monossacarídeo derivado da lactose (açúcar do leite) – são de particular interesse porque, em seres humanos, estão sujeitas a defeitos genéticos que resultam na doença conhecida como galactosemia. Quando o defeito está presente, os indivíduos são incapazes de metabolizar a galactose a metabólitos da glicose, o que freqüentemente ocasiona catarata, crescimento deficiente, retardo mental e eventual morte por lesão hepática. Um dos distúrbios genéticos é devido à mutação no gene GALK1, expressa como uma deficiência celular da enzima galactoquinase, promotora da degradação do referido monossacarídeo. Sabendo-se que a enzima galactoquinase possui 392 aminoácidos e que o gene GALK1 ocupa uma região de 7.300 pb no genoma, qual a porcentagem da região codificadora (éxons) em relação ao tamanho total do gene?

50. RESOLUÇÃO : 1 aminoácido ------- 3 bases no RNAm -------- 3 pb no DNA 392 aminoácidos -------------------------------------- X X = 1.176 pb 7.300 pb ------------ 100% 1.176 pb ------------x x = 16,11%