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 O genoma e sua história 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 1

2 O genoma e sua história Genoma nos remete a Hereditariedade -Hipócrates ( a.c.): pangênese -Aristóteles ( a.c.): transmissão das características pelo sêmen O genoma e sua história 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. Curiosidades Primeiras extrações de DNA - Final 1800s e início 1900s -35 kg de pâncreas bovino dissolvido em 200 litros de ácido sulfúrico -Timo, também utilizado ( legado 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). 2

3 O genoma e sua história ~1930: avanços no conhecimento da estrutura do ácido nucléico A nucleina se tornou o ácido nucléico desoxirribose e, posteriormente, ácido desoxirribonucléico. DNA Ácido desoxirribonucléico O genoma e sua história : 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 O genoma e sua história ~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 O genoma e sua história Linus Pauling 1953: modelo helicoidal tripla hélice (modelo incorreto)...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 O genoma e sua história Linus Pauling 1953: modelo helicoidal tripla hélice (modelo incorreto) O genoma e sua história 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): O genoma e sua história Erwin Chargaff (1950): razão duas purinas para duas pirimidinas 6

7 O genoma e sua história Rosalind Franklin ( ): cristalografia de raio-x de moléculas de DNA Photo 51 O genoma e sua história 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 O genoma e sua história 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. 13

14 e o conceito de gene? Organização de genes no genoma: conceito clássico genes consistem de uma seqüência de DNA que codifica uma proteína 14

15 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 15

16 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 16

17 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* 17

18 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:

19 e o conceito de gene? simples assim? 19

20 O que é um gene? 20

21 Genes unidades hereditárias Genes memes, gene cultural genes e sua história... Genes e Hereditariedade -Hipócrates ( a.c.): pangênese -Aristóteles ( a.c.): transmissão das características pelo sêmen Gene: conceito filosófico 21

22 genes e sua história : experimentos apontaram para a existência de elementos biológicos chamados FATORES Gregor Mendel Gene: conceito abstrato genes e sua história : Redescobrimento dos trabalhos de Mendel experimentos independentes com cruzamentos de plantas Carl Correns Erich Tshermak Hugo de Vries confirmação dos resultados e conclusões de Mendel 22

23 genes e sua história : Wilhelm Johanssen: cunha o termo gene Genes: unidades associadas com características hereditárias, porém sem base física conhecida genes e sua história... ~1920: Teoria cromossômica da herança Morgan Boveri Sutton fatores hereditários de Mendel localizados nos cromossomos Mapeamento de ligação 23

24 genes e sua história : DNA, material genético Gene: conceito físico genes e sua história : Estrutura do DNA Watson e Crick Gene: conceito físico 24

25 genes e sua história... Caspersson (1947): Conexão entre DNA, RNA e síntese proteíca Conceito antigo de gene um gene, uma proteína GENE TR Conceito clássico de gene 25

26 Genes e genomas: novos conceitos -Sobreposição de janelas de leitura -Edição de RNA -Cis e trans splicing -Proteinas quimeras...e o conceito de gene? 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) 26

27 Genes e genomas: novos conceitos e no futuro? 27