Genes e Genomas Procarióticos

Transcrição

1 Universidade Federal de Pelotas CDTec - Graduação em Biotecnologia Disciplina de Biologia Molecular Genes e Genomas Procarióticos Priscila M. M. de Leon Dra., Médica Veterinária Profa, PNDP Biotecnologia/UFPel

2 Revisando... Diferenças entre Procariotos x Eucariotos Estrutura do DNA Base nitrogenadada + pentose Nucleosídeo Base nitrogenada + pentose + fosfato Nucleotídeo Polímero de nucleotídeos Ácido Nucleico Supertorção Desnaturação x Renaturação Compactação de DNA procarioto

3 Carl Woese, 1990: seres vivos celulares são divididos em 3 domínios Sistemas de classificação recentes Prokarya Prokarya: organismos unicelulares que não possuem organelas, chamados de Procariotos. Diferenças genéticas e bioquímicas

4 ARCHAEA x BACTERIA X Constituição da parede celular: arquea polissacarídeos e proteínas bactérias - peptideoglicanos Organização e funcionamento gênico: arquea mais semelhante eucariotos bactérias - distintas Ambiente: arquea condições extremas e outras bactérias RNA ribossomal diversos e novos habitats

5 O QUE É UM GENE? Segmento do DNA que inclui toda sequência nucleotídica necessária e suficiente para a síntese de um polipeptídeo (proteína) ou de uma molécula de RNA estável.

6 Estrutura Básica de um GENE REGIÃO CODIFICADORA: sequencia nucleotídica que codifica seu produto (proteína); SEQUENCIAS REGULADORAS: sequencias que flanqueiam regulando sua expressão;

7 Expressão de um GENE Expressão de um Gene inclui: Sua transcrição em um mrna Tradução do transcrito em um cadeia polipeptídica * Genes que codificam trnas e rrnas são transcitos e não traduzidos

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9 Orientação de um GENE A transcrição, processo de síntese de RNA, progride no sentido 5 para 3 ; FITA CODIFICADORA (5-3 ) sequencia estará representada no RNA FITA MOLDE (3-5 ) serve de molde para a síntese de RNA RNA transcrito complementar a fita molde, orientação 5 3 Fita Codificadora 3 RNA transcrito: 5 3 Complementar a fita molde igual a fita codificadora Fita Molde 5

10 Estrutura Básica de um Gene Procariótico Promotor: sítio de ligação da RNA Polimerase Terminador: sequência nucleotídica que determina o desligamento da RNA Polimerase RBS: sítio de ligação do ribossomo UTR: regiões 5 e 3 não traduzidas (untranslated region)

11 Estrutura Básica de um Gene Procariótico Sequencias reguladoras da transcrição em procariotos: Promotor: sítio no DNA onde a RNA Polimerase se liga situado na região flanqueadora 5 a montante da região codificadora RNA polimerase é a enzima responsável pela transcrição do gene * RNA polimerase é a enzima responsável pela transcrição do gene Terminador: sequência nucleotídica que determina o desligamento da RNA Polimerase da fita molde e o término da transcrição situada na região flanqueadora 3 a jusante da região codificadora;

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13 Características de um Gene Procariótico Colinearidade: característica típica de genes procariotos; Exata correspondência entre a sequencia nulceotídica da região codificadora do gene (DNA) e a sequencia de aminoácidos da cadeia polipeptídica/rrna/trna; Cada códon de três nulceotídeos codifica para um aminoácido. N de aminoácidos = 3N de pares de base

14 COLINEARIDADE DOS GENES E SEUS PRODUTOS PROTÉICOS

15 RNA DNA ESTRUTURA DE UM GENE DE EUCARIOTO Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA hnrna Intron mrna AAAAAAAAAA Exon AAAAAAAAAA

16 Tamanho de um Gene Procariótico Tamanho de um gene vinculado ao número e a extensão das sequencias nulceotídicas que compõem as regiões reguladoras e a extensão da região codificadora; Menor variação em Procariotos comparado a Eucariotos TAMANHO = Regiões reguladoras + Região codificadora (tamanho do produto) 5-10% ~20 pb 95 90% ~ pb Exemplo: Escherichia coli Tamanho médio das Regiões Codificadoras: 951pb 317 aa Total de genes: Região Codificadora mais longa: 7.149pb aa 381 genes com menos de 300pb 100 aa

17 Homologia entre Genes Procarióticos Homologia: similaridades observadas entre sequencias nulceotidicas em muitos genes Procariotos; Genes que possuem ao menos 30% de identidade em suas sequencias ao longo de pelo menos 60% de sua extensão Decorrente de processos evolutivos Origem evolutiva comum = sequencias nulceotídicas homólogas (parcial ou total) GENES PARÁLOGOS: decorrente de duplicação de uma região cromossômica gerando dois genes homólogos; PSEUDOGENE: cópia gerada na duplicação que perde sua funcionalidade; ORTÓLOGOS: quando a homologia entre dois genes é um evento de especiação (surgimento de nova espécie); XENÓLOGOS: genes ortólogos adquiridos por eventos de transferência gênica horizontal (Conjugação/Transformação/transdução)

18 Homologia entre Genes Procarióticos 30% de identidade ao longo de 60% de sua seqüência

19 O QUE É GENOMA? É o conjunto de genes de um organismo

20 Genomas Procarióticos Variam de tamanho entre: pb (150kb) a (13Mb) Bactérias: 2 a 5 Mb Espécies de um mesmo filo podem variar em até 10 vezes Arqueas: 2 Mb Variação entre espécies de um mesmo filo é mais restrita * Tamanho do Genoma de Procariotos é potencialmente plástico (variando ao longo da evolução) Genoma Mínimo: menor genoma capaz de abrigar o número necessários de genes para a sobrevivência de um ser celular deve pertencer a um organismo procariótico Espécies de vida livre ambientes variáveis, portanto necessitam de um maior número de genes Buchnera aphidicola: 422 kb proteínas C. rudii: 159kb Sulcia muelleri: 245kb

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22 Cromossomos Procarióticos Genomas Procarióticos são constituidos por DNA de fita dupla Maioria dos procariotos possuem um ÚNICO CROMOSSOMO Molécula de DNA de fita dupla CIRCULAR covalentemente fechada Espécies com GENOMA MULTIMOLECULAR: Moléculas de DNA maiores Genes ESSENCIAIS CROMOSSOMOS Moléculas de DNA menores PLASMÍDEOS * Plasmídeos são considerados como parte do genoma Replicons Unidades de Replicação Aspecto estrutural que define genomas Procariotos x Eucariotos Organização dos cromossomos em unidades de replicação Segmentos cromossômicos que replicam a partir de uma origem de replicação Cromossomo Bacteriano possui uma origem de replicação 1 REPLICON Arqueas uma, duas ou três origens de replicação 1, 2 ou 3 REPLICONS

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24 Replicação Procarióticos

25 Densidade Genica Procariotos Genomas Procariotos apresentam alta densidade genica Fatores que contribuem: Tamanho reduzido do genoma; Extensão das regiões codificadoras e reguladoras ; Número de genes por genoma; Extensão das regiões intergênicas (2-5 pb a 100pb) DENSIDADE GÊNICA: 0,9 A 1,1 genes a cada 1.000pb Aproximadamente 1 gene/1 kb Bactérias: 0,9 gene/1 kb Arqueas: tendem a ser mais compactos 1,1 gene/ 1 kb

26 Densidade Genica Procariotos Uso de quase todo o genoma na codificação e na regulação

27 Densidade Genica Procariotos Uso de quase todo o genoma na codificação e na regulação Uma cópia de cada gene Várias cópias apenas do rdna (DNA que codifica para o rrna) Sobreposição de genes

28 Unidades Organizacional de Genomas Procariotos Motivos sequencias nucleotídicas curtas que são unidades formadoras de repetição, podem estar dispersas ou agrupadas no genoma, com função estrutural ou de recombinação gênica; Repetição sequencias repetidas; abundantes em eucariotos (50%) e também presente em procariotos (2%); em geral menos de 10kb; aleatórias ou em arranjos em tandem; Genes repertório de genes para suprir sobrevivência do organismo; 20-35% dos genes linhagem-específicos; Óperon unidade funcional do genoma, onde duas ou mais regiões codificadoras ocupam posições adjacentes e são controladas por uma mesma região reguladora; Domínios e Macrodomínios regiões extensas definidas por interações entre proteínas cromatínicas e por superenrolamento Ilhas Gênicas segmentos do genoma que diferem do restante, variam de 10 a 200 kb; como conteúdo de CG; asso ciadas a elementos genéticos móveis como bacteriófagos Ilhas de patogenicidade

29 OPERON Os produtos de um OPERON podem ser funcionalmente relacionados; Otimização da maquinaria reguladora da célula; Economia de espaço na DNA; Organização em operon presente em Arqueas e Bactérias As diferentes regiões codificadoras presentes em um mesmo operon são COTRANSCRITAS em um mesmo RNA - POLICISTRÔNICO Cístron equivalente a um gene Região Intercistrônica sequencia entre regiões codificadoras E. Coli k óperons, com 3 a 4 sequencias codoficadoras/óperon

30 OPERON ~100 pb 2 a 5 pb Promotor Regiões Codificadoras Terminador OPERON

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32 Ilhas genômicas

33 Conteúdo G+C Fração de nucleotídeos Guanina e Citosina que apresenta o genoma; Que é complementar ao conteúdo de Guanina e Timina GC (%) = (G+C) x 100 A+T+C+G Em procariotos varia de 22,5% a 72,1% Variável de acordo ao ambiente e tamanho do genoma Sequencias de origem de replicação e promotoras das transcrição menos GC

34 Orientação e localização de genes em relação à origem e ao sentido da replicação Tendência gênica da fita - muitos genes coorientados no sentido da replicação

35 Dinâmica evolutiva dos genomas procarióticos Altamente proliferativos Expostos a condições ambientais variáveis Variabilidade genética Rápida evolução Plasticidade genômica Sintenia tende a diminuir de forma proporcional ao grau de divergência evolutiva entre as espécies

36 Processos evolutivos Procariotos possuem diversos mecanismos moleculares que proporciona a variabilidade genética Processos inovadores Duplicação seguida de divergência Transferência gênica horizontal Fusão de replicons Introduzem inovações no genoma, como aquisição de nova sequencia ou reorganização estrutural Processos que determinam perdas Seleção purificadora Simplificação genômica Degradação genômica Processos que levam a preda de sequencias