Organizao Gnica dos Seres Vivos Genes e Genomas

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

OS SERES VIVOS

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.

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

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

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Tamanho do Genoma ~9, 5 x 106 pb Mycoplasma genitalium Saccharomyces cerevisiae ~0, 6 x 106 pb ~13 x 106 pb Myxococcus xanthus

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).

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).

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

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Alteração do Quadro de Leitura.

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

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Colinearidade: Gene Proteína 3 n nucleotídeos → n aminoácidos

GENES → EUCARIOTO X PROCARIOTO 5’ 3’

GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO

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

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.

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

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).

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.

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.

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

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO 1. Bacteriófagos. 2. Plasmídeos. 3. Transposons.

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. )

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. )

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, ss. DNA circular ou ds. DNA 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.

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.

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. 1. ativação de genes inativos 2. deleções, inversões e fusões cromossômicas 3. * Conferem significativa plasticidade genética nos genomas que as possuem.

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

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

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Tamanho do Genoma ~9, 5 x 106 pb Mycoplasma genitalium Saccharomyces cerevisiae ~0, 6 x 106 pb ~13 x 106 pb Myxococcus xanthus

PROCARIOTO X EUCARIOTO • 97% dos genes são de regulação. • 3% São seqüências não codantes (inter- • 97% São seqüências não codantes (interespaçadores gênicos). → cópia única (0 – 30 pb)

GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO

PROCARIOTO X EUCARIOTO

COMPARAÇÕES → EUCARIOTO Número de Genes

Genes não interrompidos X interrompidos COMPARAÇÕES → EUCARIOTO

Tamanho dos genes em kb COMPARAÇÕES → EUCARIOTO

PARADOXO DO VALOR DE “C”

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.

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Não há Colinearidade: Gene Proteína 3 n nucleotídeos n aminoácidos

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

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO 1. DNA de cópia única (45%). 2. DNA Moderadamente Repetitivo (30%). 3. DNA Altamente Repetitivo (25%).

GENOMA NUCLEAR HUMANO Características § ds. DNA. § Genoma Linear. § 23 cópias (46 Cromossomos).

GENOMA DE ORGANELAS Características § ds. DNA. § Genoma Circular. § Várias cópias por organela.

GENOMA HUMANO Genoma Humano Genoma Nuclear 3300 Mb Genoma Mitocondrial 16, 6 kb 37 genes 30. 000 - 50. 000 genes ~25% ~75% Genes e seqüências gene-relacionadas DNA extragênico Dois genes de r. RNA Únicas ou moderadamente repetitivas ~10% ~90% DNA codificador Pseudogenes ~60% DNA nãocodificador Fragmentos de genes 22 genes de t. RNA Único ou baixo número de cópias Íntrons, seqüências nãotraduzidas etc. 13 genes codificadores de polipeptídeos ~40% Moderado a altamente repetitivo Repetido em tandem ou repetições agrupadas Repetições dispersas

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias Funcionalmente Similares § Relacionados mas não idênticos → Globina

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias gênicas codificadoras de RNA § Genes de r. RNA → 5 agrupamentos de 50 repetições em tandem. § Genes de Trna → grande família dispersa (40 subfamílias). § Genes de sn. RNA → grande família dispersa.

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias Funcionalmente Idênticas → Histonas § Replicação dependente → restrito a fase S. § Replicação independente → nível basal em todo CC. § Replicação tecido-específico. H 1

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.