Evolução do Genoma. Universidade Cruzeiro do Sul

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1 Universidade Cruzeiro do Sul

2 Unidade - Evolução do Genoma MATERIAL TEÓRICO Responsável pelo Conteúdo: Prof. Ms. Arthur Guimarães Carvalho Porto Revisão Textual: Profª Esp. Márcia Ota Campus Virtual Universidade Cruzeiro do Sul 2

3 Breve introdução Atualmente, somos capazes de sequenciar, rapidamente, genomas inteiros. Como consequência, muitos assuntos antes obscuros com relação à estrutura e evolução do genoma de organismos vivos têm sido esclarecidos. E o entendimento da história da vida na terra tem passado por mudanças profundas. Hoje, reconhecem-se três ramos fundamentais de organismos vivos (ou Domínios da Vida; Figura 1): as eubactérias, as arqueobactérias, e os eucariotos. E são estes grupos que trabalharemos em mais detalhe ao longo desta unidade. Figura 1 Três domínios da Vida Fonte: Caracterização geral Os genomas dos organismos vivos consistem de uma ou mais moléculas de DNA. A grande maioria dos genes presentes nestas moléculas codificam moléculas de RNA mensageiro, que por sua vez são traduzidos em proteínas (Figura 2). 3

4 Figura 2- Representação esquemática das molécula de DNA, RNA e proteínas. Fonte: As proteínas realizam tanto as operações celulares mais básicas, quanto funções mais especializadas. Exemplos de funções básicas incluem o armazenamento/recuperação de informações (relacionadas ao DNA e RNA), metabolismo, gestão de energia e divisão celular. O genoma possui também um pequeno conjunto de genes que codificam RNAs estruturais. Em procariontes e eucariontes, tanto o RNA ribossômico como o transportador têm um papel crítico na tradução (PIERCE, 2004). Vamos agora conhecer em mais detalhes os genomas destes grupos: 4

5 Genoma das Eubactérias As eubactérias não possuem membrana nuclear e, consequentemente, não há clara separação entre seu genoma (DNA) e o seu citoplasma. Esta falta de compartimentalização permite um acoplamento entre a tradução e a transcrição, uma vez que o RNA mensageiro pode ser traduzido em uma proteína enquanto ainda está sendo transcrito. No geral, o genoma destes grupos é caracterizado por um único cromossomo circular, com uma única origem de replicação (Figura 3). O tamanho do genoma é pequeno, com muito pouco DNA não codificante (GRIFFITHS et. al., 2006). Figura 3 Representação de um cromossomo circular com origem de replicação. Fonte: Genes bacterianos são bem agrupados, muitas vezes organizados em operons. Estes são estruturas nas quais um único transcrito possui vários genes distintos, cada um com seus próprios códons de início e parada. Essas transcrições são chamadas de policistrônicas, uma vez que codificam múltiplos cístrons (proteínas) (PIERCE, 2004). Genes individuais geralmente se iniciam com uma seqüência que facilita a ligação do RNA mensageiro ao ribossomo para que ocorra a tradução. Introns, onipresentes em eucariotos, estão ausentes. Também não submetem seu RNA mensageiro ao extenso processamento 5

6 característico dos eucariotos (ver abaixo). O controle transcricional dos genes de bactérias ocorre através da ligação de proteínas ao promotor e algumas regiões adjacentes. Bactérias usam uma única RNA polimerase para a transcrição (GRIFFITHS et. al., 2006). Genoma dos Eucariotos Genomas de eucariotos contêm inúmeros cromossomos lineares. Cada um destes possui múltiplas origens de replicação. Eles são consideravelmente maiores do que o de eubactérias. Parte dessa diferença de tamanho se deve ao aumento do número total de genes, mas a grande maioria se deve a um grande aumento na fração de DNA não codificante (GRIFFITHS et. al., 2006). Como conseqüência de seu maior tamanho, o DNA dos cromossomos eucariotos deve ser compactado para caber dentro do núcleo. Para tanto, o DNA é acondicionado em torno de complexos proteicos (histonas), formando nucleossomos. Os conjuntos de nucleossomos, por sua vez, são eles próprios dobrados para aumentar significativamente a compactação do DNA (PIERCE, 2004). O resultado é a cromatina, uma molécula de DNA extensivamente coberta por proteínas e apresentando altíssimo grau de condensação (Figura 4). Figura 4 Etapas sucessivas de compactação da molécula de DNA (1). Fonte: 6

7 O genoma eucarionte é fechado em uma membrana nuclear que separa o DNA do citoplasma da célula. Esta separação tem influências profundas na transcrição e tradução. Após a transcrição, ocorre um grande processamento do RNA mensageiro no núcleo, antes que estes sejam transportados para o citoplasma para a tradução em proteínas. Ambas as extremidades da molécula de RNA mensageiro inicial são modificadas. A característica mais marcante do processamento do RNA mensageiro eucariótico é que a transcrição original contém numerosos introns. Estas sequências internas são removidas para criar o produto final (PIERCE, 2004). A transcrição em eucariotos é mais complexa do que em procariontes, por diversas razões. Primeiramente, a compactação da cromatina em torno de um gene tem uma forte influência em sua expressão. Em segundo lugar, o controle transcricional requer a ligação de vários fatores de transcrição aos sites de regulação adjacentes ao gene, para formar grandes complexos de transcrição multiproteicos. Finalmente, estruturas similares aos operons de procariotos raramente são encontrados em eucariotos. Mesmo quando operons estão presentes, o extenso processamento faz com que o RNA mensageiro final contenha a informação de uma única proteína (GRIFFITHS et. al., 2006). Assim, os RNA mensageiros citoplasmáticos dos eucariotos não são policistrônicos. A maioria dos eucariotos contém um ou dois genomas adicionais. Estes são representados pelas duas principais organelas (mitocôndrias e cloroplastos), cada uma contendo genoma próprio. Organelas que surgiram, originalmente, por eventos endossimbióticos (Figura 5). 7

8 Figura 5 Envento endossimbiótico que deu origem as mitocôndrias e plastídeos. Fonte: Primeiro, uma célula eucariota primitiva envolveu uma eubactéria, dando origem à mitocôndria. Este evento endossimbiótico provavelmente ocorreu perto da base da linhagem dos eucariotos. Em segundo lugar, o ancestral das plantas e algas capturou uma cianobactéria, dando origem ao cloroplasto. Em ambos os casos, a maioria dos genes da eubactéria ancestral foram transferidos para o núcleo eucariótico (RIDLEY, 2006). Apesar de seu pequeno tamanho, os genomas de organelas ainda são característicos de seus antepassados (possuem um único cromossomo circular, por exemplo). 8

9 Genoma de Arqueobactérias Em muitos aspectos, os genomas das arqueobactérias são similares aos de eubactérias: um único e grande cromossomo circular, com uma única origem de replicação. Também possuem um pequeno genoma, majoritariamente composto por DNA codificante. Os genes são muitas vezes agrupados em operons (PIERCE, 2004). Apesar dessas semelhanças, estudos moleculares têm mostrado que o genoma das arqueobactérias também possui características dos eucariotos. Todo o aparato de processamento (replicação do DNA, transcrição, tradução) possui sequência mais parecida com a encontrada em eucariotos. Por exemplo, a enzima de replicação do DNA utilizada por arqueobactérias é homóloga às polimerases de eucariotos. A maioria das outras proteínas de replicação também são mais semelhantes aos eucariotos do que eubactérias. Inversamente, a maioria dos genes do metabolimo são mais parecidos com os genes de eubactérias. Estas características do grupo justificam o alocamento das arqueobactérias em um ramo próprio (RIDLEY, 2006). Genomas - Como apareceram? Dada a complexidade necessária para o surgimento de um genoma, cabe-nos perguntar: Como é que o primeiro genoma surgiu e qual foi a sua natureza? Enquanto as células de hoje utilizam proteínas para realizar quase todas as funções celulares, existem sugestões de que células primitivas podem ter sido totalmente baseadas em RNA. RNA pode armazenar informação, tanto genética quanto biológica e catalisar reações (RIDLEY, 2006). Se o genoma primitivo foi realmente baseado no RNA, como este se transformou em um genoma de DNA que utiliza proteínas para a maioria das funções celulares? 9

10 Este assunto ainda permanece como altamente controverso e extraordinariamente complexo. Muitos estudos têm sido realizados, mas poucas são as respostas obtidas. Outra questão central é o que pode ser dito sobre o estrutura genômica do último ancestral comum dos três grandes domínios da vida. Nós podemos fazer algumas inferências! Em primeiro lugar, o código genético é o mesmo, já que todos os genomas de hoje são baseados no mesmo código genético. Em segundo lugar, enquanto o o genoma ancestral pode ter sido baseado no RNA, o ancestral comum provavelmente teve um genoma baseado no DNA (RIDLEY, 2006). Afinal, todos os três domínios possuem enzimas homólogas para lidar com a DNA. Além disso, comparando-se o genoma completamente seqüenciado de um eucarioto com o de uma eubacteria e uma arqueobactéria pode-se perceber que mais de 70 sequências de DNA possuem sinal de ancestralidade comum. Esta é provavelmente uma subestimação, já que alguns genes provavelmente evoluem até um ponto onde é muito difícil de detectar qualquer assinatura do passado comum (RIDLEY, 2006). Uma questão também amplamente discutida é se o ancestral comum possuiria introns. Alguns autores afirmam que introns estavam presentes no ancestral comum, mas foram perdidos por eubactérias e arqueobactérias. Outros pesquisadores mantém introns como genes que invadiram regiões codificadoras de proteínas após o aparecimento do eucarioto ancestral. 10

11 De quantos genes estamos falando? As estimativas do número de genes codificadores de proteínas nos genomas sequenciados são obtidas através da contagem do número de quadros de leitura aberta (ORFs). Alguns ORFs podem ser imediatamente atribuídos a famílias conhecidas de proteínas, enquanto outros permanecem como não identificados, possivelmente indicando genes de função desconhecida. Os números desses ORFs detectados em genomas de eubactérias estão no intervalo para certos parasitas intracelulares e nas bactérias de vida livre. Genomas de arqueobactérias mostram que os números de genes variam entre 1700 e A faixa do número de genes em eucariotos é consideravelmente maior: leveduras com cerca de 6.200; nematóides com aproximadamente e os seres humanos com cerca de Estes números estão provavelmente subestimados. Particularmente interessante é a observação de que, mesmo nos organismos melhor caracterizados, a maioria dos genes têm função desconhecida. Com o progresso do sequenciamento dos genomas, espera-se que o percentual de genes desconhecidos aumente. Mas e as organelas? O genoma mitocondrial (DNA mitocondrial) também apresenta considerável variação no número de genes, especialmente considerando que o ancestral destas deveria conter aproximadamente 2500 genes no momento de seu englobamento (RIDLEY, 2006). Moléculas de DNA mitocondrial apresentam em média 13 genes codificadores de proteínas e 24 de RNAs (NCBI, 2010), com a maior parte dos animais apresentando mitocôndrias que contém não mais de uma dúzia de genes codificadores. Mais de mil proteínas nucleares foram importadas para a mitocôndria, a maioria produzida por genes de origem no ancestral (BURGER et al., 2003). 11

12 Por exemplo, as proteínas ribossomais e outras proteínas necessárias para traduzir os RNA mensageiros mitocondriais são procarióticas por natureza, e distintas daquelas exigidas para os ribossomos citoplasmáticos. Assim, após o evento inicial endossimbiótico, houve maciça transferência de genes eubacteriais no núcleo eucariótico (BURGER et al., 2003). Dada esta transferência, uma pergunta não respondida é: por que os genomas mitocondriais existem? Na verdade, existem alguns eucariontes sem mitocôndrias. Enquanto estes eucariontes foram considerados originalmente linhagens muito antigas, até mesmo anteriores ao evento endossimbiótico, é agora sabido que alguns têm origem muito mais recente e perderam suas mitocôndrias recentemente. Assim, o evento endossimbiótico deve ter ocorrido muito cedo na radiação eucariótica (LANG et. al.,1999). Plastídeos (cloroplastos) também contém um conjunto muito reduzido de genes. Apesar disso, eles contêm muitos mais genes do que os genomas mitocondriais (em torno de 100 ou mais genes codificadores de proteínas; NCBI,2010). Os plastídeos de determinados grupos se tornaram exemplos muito interessante de ciclos de transferência de genes. Está claro, tanto por razões estruturais e filogenéticas, que alguns eucariontes obtiveram seus plastídios de eventos endossimbióticos secundários, ao engolir algas contendo plastídeos (e.g., NAGAMUNE et al., 2008). Em pelo menos dois casos de endossimbiose secundária, o plastideo atual contém um remanescente vestigial da núcleo da célula eucariótica capturada, o nucleomorfo. Plastídios com nucleomorfos representam dois casos de transferência de genes em massa - a partir do primeiro ancestral cianobacterial para o núcleo dos eucariontes e, em seguida, a transferência destes genes novamente a partir do núcleo da alga envolvida ao núcleo do novo hospedeiro eucarionte (e.g., NAGAMUNE et al., 2008). 12

13 Qual o tamanho do problema? O tamanho do genoma de eubactérias e arqueobactérias varia entre 0,5 e 15 megabases (NCBI,2010). A maior parte desta variação se deve a diferenças no número de genes, já que a correlação entre o tamanho do genoma e o número de genes codificadores de proteínas em genomas procarióticos é elevado (PIERCE, 2004). Genomas eucarióticos nucleares mostram uma variação gigantesca no tamanho do genoma, com plantas apresentando variação em torno de 6000 vezes em diferentes espécies e os mamíferos de 4 vezes (NCBI, 2010). Essa enorme variedade tem sido referida como o paradoxo do valor C (PIERCE,2004). Enquanto o genoma aumenta o tamanho conforme aumenta a complexidade filogenética, os limites superiores dentro de cada grupo não mostram tal correlação. A grande variação de tamanho é apenas parcialmente devida a diferenças no número de genes. Em vez disso, a maior parte da variação é devida às diferenças na quantidade de DNA não codificante. A fração do DNA não codificante varia de 30% a mais de 99,9%. Os seres humanos têm cerca de 10% do DNA codificante (PIERCE, 2004), o que implica que carregamos em nossos genomas muito DNA sem função celular óbvia. O que é todo esse DNA extra? Vamos ver na seção a seguir. DNA não codificante? Três hipóteses, não necessariamente exclusivas, foram proposta para dar conta da enorme fração, e a variação daí originada, de DNA não codificante em eucariontes (BENNET, 2005). 13

14 O DNA egoísta: Esta é a hipótese de que a maioria destas regiões são compostas por sequências de DNA não codificadoras repetitivas, que existem apenas para fazer cópias adicionais de si. Elementos que se propagam, mesmo que haja algum custo para o anfitrião (BENNET, 2005).. O DNA lixo: hipótese de que a maior parte do DNA não codificante é simplesmente um subproduto da replicação do DNA, recombinação e mutação. Ao invés de ativamente espalhando cópias através do genoma (como no DNA egoísta), simplesmente este se acumula como sucata sem valor. Esta hipótese pressupõe que o custo para a célula de trabalhar com este DNA extra é desprezível (BENNET, 2005).. O DNA estrutural: esta é a hipótese de que muito deste DNA não codificante tem importantes funções celulares. Em particular, tem sido argumentado que o tamanho do genoma influencia o tamanho da célula, e que a seleção para o aumento (ou diminuição) do tamanho das células pode influenciar indiretamente o tamanho do genoma. Atualmente, existe pouca evidência para apoiar esta hipótese, e a grande maioria do DNA não codificante é pensado como sendo sucata ou egoísta (BENNET, 2005).. Aumentando o número de genes Um elemento-chave na evolução dos genomas é a criação de novos genes. A maioria dos genes novos surge por duplicação de genes existentes, com as cópias duplicadas e divergentes aquisição de novas funções (PIERCE, 2004). Nem todas as duplicações geram genes novos, já que uma dos cópias podem adquirir uma ou mais mutações inativadoras, tornando-se um pseudogene. Este não está mais sob seleção. Pseudogenes são características comuns dos genomas eucarióticos, e muitas vezes são encontrados em grupos de genes relacionados (PIERCE, 2004). 14

15 Enquanto as duplicações podem ser locais, envolvendo um ou poucos genes, a duplicação de todo o genoma também ocorre. Por exemplo, o sequenciamento completo de leveduras indica que esta sofreu uma duplicação completa do genoma, mas que apenas parte dos genes duplicados sobreviveram (RIDLEY, 2006). Também há evidências claras de duplicação em muitas plantas e em algumas bactérias. Figura 6 Esquema ilustrando a duplicação de um gene (em azul) Fonte: Gene-duplication.png Também é alegado que dois eventos sucessivos de duplicação ocorreram durante a transição para vertebrados mais derivados, uma entre os invertebrados e peixes sem mandíbulas e a segunda ocorrendo imediatamente após os peixes sem mandíbulas (RIDLEY, 2006). Consistente com isso é a observação de que vários genes encontrados em quatro cópias nos seres humanos estão presentes como duas cópias em anfíbios e como exemplares únicos em insetos. Embora ainda haja debate sobre se sucessivas duplicações no genoma de fato ocorreram em vertebrados, o sequenciamento completo do ser humano e do rato irá certamente ajudar a resolver a questão (RIDLEY, 2006). 15

16 Anotações 16

17 Referências ALBERTS, B., BRAY, D., LEWIS, J. The Molecular Biology of the Cell. Garland: New York BENNET, M.D., LEITCH, I.J. The Evolution of the Genome. Diego: T.R. Gregory (ed.), pp San BURGER, G., GRAY, MW., LANG, BF. Mitochondrial genomes, anything goes. Trends in Genetics 19(12): GELEHRTER, T. D., COLLINS, FS. Principles of Medical Genetics. 2ª ed. Baltimore, Williams & Wilkins p. GRIFFITHS, A. J. F., WESSLER, S.R., LEWONTIN, R. C., GELBART, W.M MILLER, J. H., SUZUKI, D.T. Introdução à Genética. 8ª Ed. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro p. LANG, B.F., GRAY, M.W., BURGER, G. Mitochondrial genome evolution and the origin of eukaryotes.annu Rev Genet 33: NAGAMUNE, K., HICKS, L.M., FUX, B., BROSSIER, F., CHINI, E.N., SIBLE, L.D. Abscisic acid controls calcium-dependent egress and development in Toxoplasma gondii. Nature, January PIERCE, B.A. Genética, um enfoque conceitual. Ed. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro RIDLEY, M. Evolução. 3a ed. Porto Alegre: Artmed

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