Bases da biologia molecular: de genes a genomas

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1 Bases da biologia molecular: de genes a genomas Cesar Martins (cmartins@ibb.unesp.br) Departamento de Morfologia Instituto de Biociências, UNESP Universidade Estadual Paulista Botucatu, SP Macromoléculas em foco : Proteínas eram consideradas as moléculas mais significantes da célula, antes dos adventos da genética; Proteína: de primeira importância : Avanços em genética e genômica: DNA no foco das discussões; : Proteínas em foco; 2005-atual: ncrna e proteínas em foco. 1

2 Genoma Termo cunhado em 1920 por Hans Winkler: conjugação de gene e cromossomo ou gene e ome (unidades) Winkler escreveu em traduação grosseira do alemão para o inglês... I propose the expression Genome for the haploid chromosome set, which, together with the pertinent protoplasm, specifies the material foundations of the species... Winkler H (1920). Verbreitung und Ursache der Parthenogenesis im Pflanzen- und Tierreiche. Verlag Fischer, Jena. Lederberg & McCray (2001). 'Ome Sweet 'Omics- A Genealogical Treasury of Words. The Scientist 15(7): 8 Genoma nos remete a Hereditariedade -Hipócrates ( a.c.): pangênese -Aristóteles ( a.c.): transmissão das características pelo sêmen 2

3 Friedrich Miescher (1869) Primeiras evidências da presença de DNA no núcleo das células. Identificou uma substância rica em fósforo que não se enquadrava como nenhuma das substâncias protéicas conhecidas até aquele momento. A esta substância ele deu o nome de nucleina. Richard Altman (1889) Obteve amostras de nucleina livres de proteína e cunhou uma denominação mais apropriada para a substância: ácido nucléico. Primeiras extrações de DNA - Final 1800s e início 1900s -35 kg de pâncreas bovino dissolvido em 200 litros de ácido sulfúrico - timina ) The origins of the names: - Adenine is from the Greek word for gland - Adeno, first discovered in the pancreas. - Thymine was first found in the thymus gland. - Cytosine was isolated from cells ('cyto' means cell). - Guanine was originally located in bird guano (poop) : Avanços no conhecimento da estrutura do DNA Phoebus Levene 1910: hipótese tetranucleotídica (hipótese falha) The DNA COULD NOT store the genetic code because it is chemically far too simple 3

4 ~1930: avanços no conhecimento da estrutura do ácido nucléico A nucleina se tornou o ácido nucléico desoxirribose e, posteriormente, ácido desoxirribonucléico. DNA Ácido desoxirribonucléico Avery, MacLeod e McCarty (1944): DNA, material genético Linus Pauling 1953: modelo helicoidal (modelo incorreto) tripla hélice...he uncharacteristically made several basic mistakes, including making the phosphate group neutral, a fact which would no longer represent DNA as an acid. 4

5 Linus Pauling 1953: modelo helicoidal tripla hélice (modelo incorreto) Linus Pauling 1953: modelo helicoidal tripla hélice (modelo incorreto) 5

6 Estrutura do DNA Linus Pauling and Robert B Corey Pauling & Corey 1953, PNAS 39(2): Erwin Chargaff (1950): razão duas purinas para duas pirimidinas 6

7 Rosalind Franklin ( ): cristalografia de raio-x de moléculas de DNA Photo 51 Rosalind Franklin ( ): cristalografia de raio-x de moléculas de DNA 7

8 Estrutura do DNA James Watson and Francis Crick Watson & Crick 1953, Nature 171: Modelo da estrutura do DNA - por Watson e Crick Crick's first sketch of the deoxyribonucleic acid double-helix Watson & Crick's 1953 Nature paper Recent view of double-helix DNA structure 8

9 Avanços nas tecnologias para estudar genes e genomas - Enzimas de restrição e tecnologia do DNA recombinante; - Sequenciamento nucleotídico; - PCR Reação em Cadeia da Polimerase; - Sequenciamento em larga escala; - Bioinformática. Genomas sequenciados Primeiro genoma sequenciado: Fago X174, pb (9 genes) Sanger et al. 1977, Nature 265: Primeiro eucarionte sequenciado: Saccharomyces cerevisae, 13 milhões pb Goffeau et al. 1996, Science 274: 546, Primeiro animal sequenciado: Caenorhabditis elegans, 100 milhões pb C elegans Sequencing Consortium 1998, Science 282: Primeira planta sequenciada: Arabidopsis thaliana, 157 milhões pb Arabidopsis Genome Initiative 2000, Nature 408: Genoma humano: 3 bilhões pb International Human Genome Sequencing Consortium 2001, Nature: 409: ; Venter et al. 2001, Science 291:

10 Genomas sequenciados Avanços no conhecimento de genes e genomas e os dogmas da biologia molecular 10

11 Dogma central da biologia molecular do DNA à proteina 1950 Dogma central da biologia molecular do DNA a proteina Estocagem de dados Intermediário 1950 Execução de tarefas 11

12 Dogma central da biologia molecular desafio ao dogma central 1970 Dogma central da biologia molecular RNA world DNA RNA Proteinas Non-coding RNAs Metabólitos

13 Dogma central da biologia molecular RNA world 2000 Dogma central da biologia molecular conceito de gene de gene? 13

14 14

15 genes e sua história... Genes e Hereditariedade -Hipócrates ( a.c.): pangênese -Aristóteles ( a.c.): transmissão das características pelo sêmen Gene: conceito filosófico genes e sua história... Gene: conceito abstrato Gregor Mendel 15

16 genes e sua história... Gene: conceito abstrato Wilhelm Johanssen: cunha o termo gene em 1909 Genes: unidades associadas com características hereditárias, porém sem base física conhecida genes e sua história... Gene: conceito físico? Morgan Boveri Sutton 1910: Mapas de ligação 16

17 genes e sua história... Gene: conceito físico 1944: DNA como material genético Avery McLeod McCarty 1953: Estrutura do DNA Watson e Crick genes e sua história... Caspersson (1947): Conexão entre DNA, RNA e síntese proteíca Conceito antigo de gene um gene, uma proteína 17

18 GENE TR Conceito clássico gene de Conceito clássico de gene genes consistem de uma seqüência de DNA que codifica uma proteína 18

19 Organização de genes no genoma: novos conceitos maioria dos genes consiste de uma seqüência de DNA que codifica somente uma proteína em alguns casos, uma única seqüência de DNA pode codificar mais de uma proteína Organização de genes no genoma: novos conceitos 1977: Processamento alternativo (cis splicing ou splicing normal ) Aumento de ~15% nas proteínas de moscas e vermes Aumento de ~ 60% nas proteínas de humanos 19

20 Organização de genes no genoma: novos conceitos overlapping reading frames: uma mesma seqüência de DNA pode codificar mais de uma proteína tradução em diferentes reading frames (identificado inicialmente em vírus, mitocôndrias e bactérias) Organização de genes no genoma: novos conceitos overlapping reading frames: uma mesma seqüência de DNA pode codificar mais de uma proteína Proteínas de membrana 20

21 Organização de genes no genoma: novos conceitos Processamento trans (trans splicing) Muitos exemplos em C. elegans e genes mitocondriais Splicing do RNA maturo da NADH desidrogenase mitocondrial de Petunia (Conklin et al 1991, Genes Dev 5: ) Organização de genes no genoma: novos conceitos 2002: Transcrição quimérica 4-5% dos genes humanos codificam proteínas quimeras* 21

22 Organização de genes no genoma: novos conceitos 2002: Transcrição quimérica RNA Binding Motif proteins: envolvimento com câncer Organização de genes no genoma: novos conceitos RNA editing: alteração de apenas um nucleotídeo na molécula de RNA Aumento de 35x na edição de transcritos de humanos comparado com camundongo, especialmente nos elementos Alu. Elementos Alu compreendem 10.5% do genoma humano... JS Mattick 2010, Bioessays 32:

23 Genes e genomas: novos conceitos Genes e genomas: novos conceitos Papel dos RNAs não codificantes: ncrnas Exemplos mais conhecidos: -RNA transportador (trna) -RNA ribossomal (rrna) Exemplos menos conhecidos: -Pequenos RNAs nucleares (snrna) -RNA da PRS (7SL RNA) Novos exemplos: Pelo menos 3 classes de pequenos ncrnas, com base nos seus mecanismos de biogênese: -micrornas (mirnas) -endogenous small interfering RNAs (endo-sirnas or esirnas) -Piwi-interacting RNAs (pirnas) 23

24 Genes e genomas: novos conceitos Here we report evidence that three-quarters of the Curso de Férias de Julho de 2013 Instituto de Biociências, UNESP, Botucatu, SP 24