Genomas procariótico e eucariótico

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Edson Amaral Botelho
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1 GENOMA I

2 Genomas procariótico e eucariótico Organização do DNA nos cromossomas Organização dos genes nos cromosssomas Estrutura dos genes e ainda: DNA repetitivo DNA extracromossómico

3 Eucariotas Procariotas Genomas (generalidades) Célula- compartimentos celulares delimitados por membranas Genoma- 2 ou mais moléculas de DNA lineares - DNA mitocondrial e plastidial. menores dimensões. circular - 1x10 2 Mb- 1x10 5 MB (o mais pequeno = 10 Mb) Célula- não compartimentalização interna Genoma- 1 molécula DNA circular - haplóides Mb - plasmídios (1 kb-250 kb), profagos e elementos móveis - informação genética mais compacta - grande diversidade de organização Ex: Borrelia burgdorferi cromossoma linear: 911 kb (835 genes) 17 ou 18 moléculas lineares e circulares: 533 kb (430 genes)

circular - 1x10 2 Mb- 1x10 5 MB (o mais pequeno = 10 Mb) Célula- não compartimentalização interna Genoma- 1 molécula DNA circular - haplóides -1-10 Mb

4 O que se considera Genoma Genoma? Genoma = DNA cromossómico Genoma = DNA cromossómico + DNA plasmídico Vibrio cholerae: 2 moléculas de DNA circulares - 2, 96 MB (3885 genes); 71% genoma - 1,07 MB (caract. plasmídio) Genoma = DNA cromossómico + DNA mitocondrial e/ou plastidial

Vibrio cholerae: 2 moléculas de DNA circulares - 2, 96 MB (3885

5 Dimensões de Genomas

7 Relação complexidade dos organismos com dimensão do genoma 1) Organismos mais complexos Genoma de maiores dimensões ex. Homo sapiens (3 Gb) vs Drosophila melanogaster (180 Mb) 2) Paradoxo C Salamandra- 90 Gb vs Homem- 3 Gb

8 Relação do número de genes com dimensão do genoma S. cerevisae - 12 Mb 0,004 do genoma humano (3 Gb) Genoma humano genes x 0,004 = 140 genes para S. cerevisae Genoma de levedura contém aprox genes ECONOMIA DE ESPAÇO NO GENOMA DOS ORGANISMOS MENOS COMPLEXOS

9 Relação de complexidade do organismo com o número de genes e com dimensão do genoma ARROZ MILHO Mesmo número de genes 0,43 Gb 2,5 Gb Organismos semelhantes diferem na dimensão do genoma, mantendo o mesmo número de genes aproximadamente

0,43 Gb 2,5 Gb Organismos semelhantes diferem na dimensão

10 DNA supercoiling DNA within the cells adopts several forms of ordered tertiary structures begining with the formation of coiled and supercoiled helical DNA under the control of enzymes known as topoisomerases

11 Supercoiling ( sobrenrolamento sobrenrolamento ou subenrolamento subenrolamento )

12 A dupla hélice do DNA é uma hélice α o que significa que tem enrolamento right-handed, ie, no sentido dos ponteiros do relógio O supercoliling é consequência de: demasiadas rotações ( superrotação - overwound ) da hélice sob si própria (positive supercoiling), ou perda de rotações ( subrotação - underrotating) sob si própria (negative supercoiling) Neste caso a direcção do enrolamento é oposta à do right-handed da dupla hélice O supercoling só ocorre quando as duas cadeias de DNA não conseguem rodar livremente uma sobre a outra, ie, quando as extremidades estão fixas e as superrotações ou subrotações não podem ser compensadas (como o que acontece no DNA circular)

(negative supercoiling) Neste caso a direcção do enrolamento é oposta à do right-handed da dupla hélice O supercoling só ocorre quando as duas cadeias de DNA não

13 Supercoiling Forma relaxada - 10 pb/rotação na conformação B Alteração da forma relaxada - mais ou menos de 10 pb/rotação na conformação B + -

14 Supercoil positivo e negativo Positive supercoil Ocorre quando o DNA está overrotated Enrolamento no mesmo sentido do enrolamento da dupla hélice Negative supercoil Ocorre quando o DNA está underrotated Enrolamento no sentido contrário do enrolamento da dupla hélice

da dupla hélice Negative supercoil Ocorre quando o DNA está

15 DNA coiling

16 Topoisomerases Enzimas que adicionam ou removem rotações da dupla hélice de DNA, quebrando temporariamente a dupla hélice, permitindo a rotação de uma cadeia em volta da outra, e depois ligando-a de novo. Topoisomerase I- quebra de uma cadeia, e reduz o supercoiling devido a remoção de rotações Topoisomerase II- quebra de ambas as cadeias, adicionando ou removendo rotações

17 Tipos de topoisomerases

18 Genomes Modo de acção das topoisomerses

19 Organização do DNA cromossómico em E. coli

20 Chromosome is condensed in one part of the cell

21 Cromossoma de E.coli - Molécula de DNA circular-fechada, negativamente enrolada kb % codificante - aproxi genes -Nucleóide (estrutura condensada): domínios independentes ou loops de kb. Topoisomerases. Proteínas de ligação ao DNA -HU - H-NS (H1) -Fis -IHF -Divisão celular: attachment point (versão desactualizada)

22 Enrolamento dinâmico do DNA no cromossoma bacteriano

23 Organização do DNA cromossómico em eucariotas Estrutura dos cromossomas eucarióticos

24 23

25 Nucleossoma- unidade elementar da cromatina

26 Structure of a nucleosome H3 and H4 are among the most conserved proteins. H2A and H2B an be recognized in all eukaryotes, but show species-specific variation in sequence. H1, closely related proteins that show appreciable variation between tissues and species (and are absent from yeast) The nucleosome core particle consists of 146 bp of DNA wrapped 1.65 turns around a histone octamer consisting of two molecules each of H2A, H2B, H3, and H4. A nucleosome (chromatosome) contains two full turns of DNA locked in place by one molecule of H1.

27 Octâmero de histonas Dímero: H2A Tetrâmero: 2H3, 2H4 Dímero: H2B

29 Nuclease protection assays of chromatin from human nuclei

30 Modelo solenóide da fibra de cromatina de 30nm

31 Diferentes níveis de organização das fibras de cromatina Estados de condensação do DNA

32 Outras proteínas não-histonas presentes no cromossoma No cinetocóro Nos telómeros No scaffold Proteína da maquinaria da replicação DNA polimerases Helicases Primases HMP (high-mobility-group proteins) RNA polimerases Acetilases Factores de transcrição E ainda proteínas importantes na alteração do empacotamento e enrolamento da cromatina durante a transcrição

33 Proteins scaffold Papel importante na estrutura do cromossoma MARs (matrix attachment regions) ou SARs (scaffold attachment regions)

34 Estruturas particulares dos cromossomas lineares Centrómeros Telómeros

35 Principais estruturas do cromossoma

36 Classificação dos cromossomas em função da localização do centrómero

37 Estrutura do centrómero de levedura

38 Proteins bind to yeast CDE elements The centromere is identified by a DNA sequence that binds specific proteins. These proteins do not themselves bind to microtubules but establish the site at which the microtubule-binding proteins bind in turn.

40 Heterocromatina e eucromatina Heterocromatina- geralmente mantém estado de condensação durante o ciclo celular. Heterocromatina facultativa vs constituitiva Eucromatina- geralmente sofre condensação e descondensação durante o ciclo celular.

41 Técnicas de coloração para produzir padrões de bandas cromossómicos Técnica G-banding Q-banding C-banding Padrão de bandas Bandas escuras são ricas em AT Bandas claras em GC Bandas escuras são ricas em GC Bandas claras em AT Bandas escuras contêm heterocromatina constituitiva Padrões citogenéticos

42 Localização (mapeamento( mapeamento) ) de algumas sequências de DNA (repetitivo) no cromossoma 1 humano Estas sequências de DNA funcionam como marcadores genéticos

43 Estrutura dos genes e Organização dos genes Procariotas Eucariotas

44 O que é um gene? -Unidade de informação genética contida num segmento de DNA. O produto final pode ser uma proteína ou um transcrito (ex. trna) -Pode variar entre 75 pb e pb - A informação biológica está contida na sequência de nucleótidos e é tornada disponível através da expressão genética, que é altamente REGULADA Quaisquer 6 nts podem originar 4096 sequências diferentes (4 6 ) Os genes estão organizados de diferentes modos nos diferentes organismos

45 Organização dos genes em procariotas: operões Alguns genes de procariotas estão organizados linearmente sob o controlo da mesma região reguladora da transcrição Regulação da expressão é coordenada Genes com funções relacionadas Ocorre em bactérias DNA Região reguladora lacz lacy laca

46 Estrutura de um gene eucariótico

47 Organização geral dos genes Topografia dos genes em 4 organismos diferentes

48 Compactamento do genoma em organismos diferentes Feature Yeast Fruit fly Human Gene density (average number per Mb) Introns per gene (average) Amount of the genome that is taken up by genome-wide repeats 3.4% 12% 44%

50 Exemplos de organização, pouco usual, de genes Genes que se sobrepõem -Alguns vírus (ex, fago X174 de E. coli) -Tradução dos mrnas em diferentes grelhas abertas de leitura -Muito raro nos organismos superiores, mas há exemplos nos genomas mitocondriais de alguns animais e no Homem Genes dentro de genes - Frequente nos genomas nucleares - Genes dentro de intrões de genes Ex. no genoma humano o gene da neurofibratose de tipo I, que contém três pequenos genes (OGMP, EVI2B, EVI2A), dentro do intão 27 - Muitos snornas são codificados por genes dentro de intrões

51 Chromosomal rearranjements

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