Organização Gênica dos Seres Vivos

1. Organização Gênica dos Seres Vivos Genes e Genomas de Procariotos e Eucariotos Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc.

2. OS SERES VIVOS

3. OS SERES VIVOS • Todo genoma (eucarioto ou procarioto) possui a função de servir como repositório replicativo da informação codificada pelo DNA que o constitui. • Genomas procarióticos, contudo, são relativamente mais simples que genomas eucarióticos.

4. PROCARIOTO X EUCARIOTO • Tamanho do genoma. • Estrutura molecular. • Distribuição de genes.

5. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Cromossomo único → dsDNA circular Replicon Exceções Lineares Rhodococcus fasciens Espiroquetas (Borrelia) Streptomyces lividans

6. ~9,5x106pb Saccharomyces cerevisiae ~0,6x106pb ~13x106pb CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Tamanho do Genoma Mycoplasma genitalium Myxococcus xanthus

7. PROCARIOTO • ◙ Cromossomo de E. coli • Molécula de DNA fita dupla circular de 4,2 X 10³ pb. • Por ser capaz de se auto-duplicar, o cromossomo bacteriano é considerado um replicon. • Sua estrutura compacta dedica-se quase que exclusivamente à codificação de proteínas (genes estruturais).

8. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Superposição de genes • Organização gênica que permite que uma mesma seqüência codifique duas proteínas diferentes. • Fenômeno freqüente em vírus, bactérias e organelas celulares (mitocôndrias).

9. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Códon de Iniciação → (Start Codon) Alternativo.

10. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Alteração do Quadro de Leitura.

11. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Colinearidade • Equivalência entre a seqüência nucleotídica do gene e a seqüência de aminoácidos da proteína. • Eucariotos possuem interrupções em suas seqüências nucleotídicas.

12. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Colinearidade: Gene  Proteína 3n nucleotídeos → n aminoácidos

13. GENES → EUCARIOTO X PROCARIOTO 5’ 3’

14. GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO

15. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • Praticamente sem seqüências redundantes. • Ausência de complemento diplóide. Genoma E. coli • Colinearidade entre genes e produtos protéicos. • Unidades genéticas acessórias. • Quase todo genoma → codificação e regulação. • Seqüências codificantes em ambas as fitas.

16. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Organização dos genes em operons • Genes que codificam produtos com funções relacionadas (componentes de uma mesma rota metabólica). • Responsáveis pelo controle da expressão gênica. • Mostram-se presentes apenas em procariotos. • Seus produtos são regulados pela presença de substrato.

17. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • Unidades transcricionais policistrônicas (Operons). • Regiões intercistrônicas → 1 a 30 pb (até 40 pb)

18. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Coorientação da transcrição e da replicação de genes • A fim de evitar colisões entre a RNA-polimerase e o aparato protéico da replicação, as unidades transcricionais mais ativas estão orientadas em relação à origem de replicação. • Replicação bidirecional → avançam em direções opostas ao longo do cromossomo (encontrando-se num sítio de terminação).

19. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Posicionamento de genes evolutivamente relacionados em sítios opostos do mapa genético • Padrão de organização explicado (supostamente) por uma prévia duplicação do genoma. • Genes que codificam proteínas envolvidas numa mesma rota metabólica.

20. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Localização preferencial dos genes em sítios próximos à origem de replicação • Maior concentração de genes próxima ao ponto no qual a replicação do DNA inicia do que próxima ao término da mesma. • Aumento do nível de expressão gênica.

21. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Elementos genéticos móveis • Todo genoma de procarioto está contido num único cromossomo. • Exceção → elementos genéticos móveis.

22. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Bacteriófagos. Plasmídeos. Transposons.

23. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Plasmídeos • Elementos extra-cromossomais com capacidade de replicação autônoma constituídos por uma molécula de DNA fita dupla circular. • Sua seqüência nucleotídica tem pouca ou nenhuma homologia com o cromossomo da célula hospedeira (elemento estranho a bactéria). • Conferem vantagens adaptativas às bactérias que os possuem. • → produção de toxinas • → produção de pilinas • → produção de adesinas • ■ Conferem resistência a múltiplos antibióticos (tornam problemático o tratamento quimioterápico de determinadas infecções.)

24. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Plasmídeos • Elementos extra-cromossomais com capacidade de replicação autônoma constituídos por uma molécula de DNA fita dupla circular. • Sua seqüência nucleotídica tem pouca ou nenhuma homologia com o cromossomo da célula hospedeira (elemento estranho a bactéria). • Conferem vantagens adaptativas às bactérias que os possuem. • → produção de toxinas • → produção de pilinas • → produção de adesinas • ■ Conferem resistência a múltiplos antibióticos (tornam problemático o tratamento quimioterápico de determinadas infecções.)

25. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Bacteriófagos • Não possuem uma maquinaria própria (incapazes de se multiplicarem na ausência de um hospedeiro). • Elementos extra-cromossomais que ganharam a capacidade de sintetizar um capsídeo protéico. • Podem apresentar genomas de RNA, ssDNA circular ou dsDNA linear (colifagos). Virulentos → multiplicam-se dentro da célula hospedeira dando origem a outros que são liberados após a lise celular (ciclo lítico). Temperados → podem se integrar no genoma bacteriano (linhagem lisogênica), ou entrar em ciclo lítico.

26. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Bacteriófagos → replicons potencialmente letais. ◙ Plasmídeos → replicons não letais (dentro de suas células hospedeiras). • Etapas da infecção → colisão, adsorção e injeção do ácido nucléico. • Ciclo lítico → O genoma do fago é expressado. Proteínas estruturais são sintetizadas e o genoma viral é encapsidado (produção de novas partículas virais). • Ciclo lisogênico → O genoma do fago se integra, por recombinação, no genoma bacteriano. O genoma do fago pode eventualmente ser liberado (sendo capaz de iniciar um ciclo lítico). • # Lisógena → Bactéria que carrega uma cópia do genoma viral integrada ao seu cromossomo.

27. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO • ◙ Transposons • → seqüências de DNA inseridas em novos sítios genômicos (catalisadas a partir de enzimas específicas - transponsases). • → envolvem processos de recombinação e replicação gerando 2 novas cópias do elemento genético transponível original. • # uma que permanece no sítio parental. • # outra que aparece num determinado sítio alvo. • Alteração da integridade de seus sítios-alvo. • ativação de genes inativos • deleções, inversões e fusões cromossômicas • * Conferem significativa plasticidade genética nos genomas que as possuem.

28. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Classificação Transposons simples (IS)→ carregam apenas a informação genética essencial para a transposição. Transposons complexos → carregam, também, informações não relacionadas a transposição . # resistência a antibióticos # capacidade de movimentação entre bactérias

29. CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Cromossomo único → dsDNA circular Replicon Exceções Lineares Rhodococcus fasciens Espiroquetas (Borrelia) Streptomyces lividans

30. ~9,5x106pb Saccharomyces cerevisiae ~0,6x106pb ~13x106pb CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Tamanho do Genoma Mycoplasma genitalium Myxococcus xanthus

31. PROCARIOTO X EUCARIOTO → cópia única (0 – 30 pb)

32. GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO

33. PROCARIOTO X EUCARIOTO

34. COMPARAÇÕES → EUCARIOTO Número de Genes

35. COMPARAÇÕES → EUCARIOTO Genes não interrompidos X interrompidos

36. COMPARAÇÕES → EUCARIOTO Tamanho dos genes em kb

37. PARADOXO DO VALOR DE “C”

38. CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Existência de múltiplas cópias de algumas seqüências. Presença de complemento diplóide. Abundância de seqüências redundantes. Quase todo genoma: não codificação e regulação. Seqüências codificantes em apenas uma das fitas. Raramente apresenta unidades genéticas acessórias.

39. CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Não há Colinearidade: Gene  Proteína 3n nucleotídeos  n aminoácidos

40. CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO • Não há Operons. Exceção Caenorhabditis elegans Nematódeo: 25% dos genes

41. CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO • DNA de cópia única (45%). • DNA Moderadamente Repetitivo (30%). • DNA Altamente Repetitivo (25%).

42. GENOMA NUCLEAR HUMANO Características • dsDNA. • Genoma Linear. • 23 cópias (46 Cromossomos).

43. GENOMA DE ORGANELAS Características • dsDNA. • Genoma Circular. • Várias cópias por organela.

44. Genoma Humano Genoma Nuclear 3300Mb 30.000 - 50.000 genes Genoma Mitocondrial 16,6kb 37 genes ~25% ~75% Genes e seqüências gene-relacionadas DNA extragênico Dois genes de rRNA 22 genes de tRNA 13 genes codificadores de polipeptídeos Únicas ou moderadamente repetitivas ~60% ~40% ~10% ~90% DNA codificador DNA não- codificador Único ou baixo número de cópias Moderado a altamente repetitivo Pseudogenes Fragmentos de genes Íntrons, se- qüências não- traduzidas etc. Repetido em tandem ou repe- tições agrupadas Repetições dispersas GENOMA HUMANO

45. CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias Funcionalmente Similares • Relacionados mas não idênticos → Globina

46. Genes de rRNA → 5 agrupamentos de 50 repetições em tandem. • Genes de Trna → grande família dispersa (40 subfamílias). • Genes de snRNA → grande família dispersa. CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias gênicas codificadoras de RNA

47. H1 H1 CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias Funcionalmente Idênticas → Histonas • Replicação dependente → restrito a fase S. • Replicação independente → nível basal em todo CC. • Replicação tecido-específico.

48. CONCLUSÃO • Existem diferenças significativas entre genomas procariotos e eucariotos. • Procariotos → genomas pequenos, circulares, poucos genes, operons e unidades genéticas acessórias. • Eucariotos → genomas grandes, lineares, muitos genes, sem operons e sem unidades genéticas acessórias. • Eucariotos apresentam genomas mais complexos que os procariotos.