Genes e Genomas Eucariotos

Transcrição

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

2 Eukarya: abrange ampla variedade de organismos uni ou pluricelulares

3 Características Eucariotos: presença de núcleo e organelas

4 Genomas Eucariotos sequenciados 1996: S. cerevisiae (metazoário) 1998: C. elegans 2000: D. melanogaster 2000: Arabidopsis thaliana (vegetal) 2002: Mus musculus (animal) 2003: Neospora crassa(fungo) 2006: genoma Humano completo 2011: 37 genomas eucarioticos sequenciados 1178 genomas em andamento

5 Genes Eucarióticos Genes Eucarióticos e Procarióticos compartilham a mesma estrutura básica Genes Eucariotos possuem estruturas mais complexa Maior complexidade determina refinamentos funcionais que explicam o maior grau de sofisticação de células eucarióticas

6 RNA DNA Estrutura de um Gene de Procarioto Promotor Região Codificadora Terminador Estrutura de um Gene de Eucarioto Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA hnrna Intron mrna AAAAAAAAAA AAAAAAAAAA Exon

7 Estrutura básica de Genes Eucarióticos Região Reguladora: a montante da região codificadora Mais extensa Com maior número de elementos reguladores Reguladores Distais (a milhares de pb) Região Codificadora: presença de sequencias intervenientes Íntrons (interrompem a sequencia do gene) Éxons (sequencia que é transcrita/traduzida do gene)

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9 A presença de íntrons nos genes eucarióticos, aparentemente, representa um enorme desperdício celular Então, porque a evolução fixou estas sequências? Mecanismo de proteção contra mutações Diversidade: genomas e proteomas (splicing alternativo) Regulação gênica...

10 Tamanho de Genes Eucarióticos Para se avaliar o tamanho de genes eucariotos é considerada apenas a região codificadora (éxons e introns), pois a presença de reguladores distais dificulta tal medição; Variação ampla no tamanho (2 a 100 kb); Genes Eucariotos são maiores que os de Procariotos Genes são maiores que seus produtos (íntrons) S. cerevisae: 120pb até 14kb Homem: média de 27kb (5% de éxons e 95% de íntrons) Gene humano distrofina (proteína muscular c 3500 aa) possui: 2400 kb; 79 éxons; 78 introns

11 Domínios Transcricionais Complexos TRANSCRIÇÃO DISSEMINADA: fração transcrita de cada genoma excede a fração correspondente a genes codificadores de mrna/proteína ou de rrna e trna. geração de... ncrnas: RNAs não codificadores classes de transcritos com função reguladora da expressão gênica ou ainda sem função determinada DOMÍNIOS TRANSCRICIONAIS COMPLEXOS: são gerados múltiplos tipos de transcritos independentes. Pode incluir 1 ou mais genes de estrutura tradicional e regiões inter e intragênica

12 3 genes ncrnas: Transcritos não codificadores

13 Genomas Nulceares Eucarióticos Genomas Eucariotos são maiores que os Procariotos Tamanho Tamanho do genoma não reflete a quantidade de genes nele presente! Não há correlação entre o tamanho do genoma (valor C) com a complexidade das características morfológicas, fisiológicas e comportamentais do organismo Paradoxo/Enigma do valor C Resultado da presença de sequências de DNA repetido, de regiões intermitentes (íntrons) e de elementos transponíveis

14 Homem: 3000Mb

15 Cromossomos Eucarióticos DNA nuclear de eucariotos está organizado em Cromossomos Cada Cromossomo é composto por uma molécula de DNA Linear; Maioria dos eucariotos são Diplóides: dois conjuntos completos de cromossomo em cada cél. Somática; Há espécies Poliplóides e Halóides O número e o tamanho dos cromossomos difere entre espécies

16 Replicons em Cromossomos Eucarióticos Cada cromossomo eucariótico está organizado em multiplos Replicons em tandem; Cada Replicon eucariótico possui ente 5 e 15kb; A cada ciclo celular nem todas as origens de replicação estão ativadas;

17 Cromossomos eucarióticos se organizam em replicons... Múltiplas origens de replicação Em cada ciclo celular, nem todas as origens são ativadas

18 Sequências Gênicas Em Eucariotos os genes podem ocupar uma porção variável do genoma Humanos 25% fração gênica de íntrons + éxons 1% éxons fração codificadora Número de Genes quantificação de genes codificadores de proteínas Densidade gênica: distância média entre genes individuais ao longo de um genoma

19 Um mesmo gene pode gerar mais de uma proteína diferente através de códons de iniciação/ terminação de tradução alternativos Número de proteínas número de genes Gene humano ETB41: produz 18 isoformas da proteína, a partir do uso de 2 códons de início de tradução alternativos e por splicing alternativo de 12 dos seus 23 éxons

20 Splicing alternativo: excisão seletiva de íntrons e ligação dos exons

21 Famílias Gênicas Família gênica: agrupam genes que possuem sequências com grau variado de similaridade entre si 30% a 100 % de identidade. Tem funções relacionadas ou idênticas, mas podem ser expressos em diferentes estágios. Genes únicos: genes que não fazem parte de famílias gênicas, ditos órfãos Pseudogenes: genes parálogos não funcionais (que possuem homologia) Cópias múltiplas: genes idênticos (100% de identidade) organizados em famílias e presentes em múltiplas cópias. Ex: genes de rrnas, trnas e histonas. estratégia para suprir a demanda destes produtos gênicos.

22 Proporções gênicas no genoma humano

23 Sequências intergênicas Sequências intergênicas são aquelas sequências genômicas que não estão vinculadas diretamente a um gene; Porção não codificante do genoma que aumentam de proporção em indivíduos mais complexos antes paradoxo do valor C - Enigma do valor C ; Era tratada como lixo genômico ( junk DNA ) por ser repetitiva e sem função evidente; Incluem elementos de sequência importantes para a fisiologia e para a evolução dos genomas eucarióticos; Duas classes mais importantes: Sequências Repetidas Simples Elementos Transponíveis

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25 Sequências Repetidas Simples Sequencias curtas repetidas milhares ou milhões de vezes; Representam de 1 a 50% do genoma; Mais comuns são unidades de repetição de 5 a 10 pb; Também chamadas de DNA-satélite; Microssatélite quando ocorre em 2 a 3 pb; Envolvidas na estruturação e na função dos cromossomos; Ex: estrutura dos centromeros, interação com fusos mitóticos e meióticos; Microssatélites: são utilizados como marcador genético em estudos de parentesco, migrações e de origem. Por apresentarem taxas mais altas de mutação genética.

26 Elementos Transponíveis Elementos transponíveis são sequências de DNA capazes de se integrarem (por transposição) em outros locais do genoma, implicando no aumento do seu número de cópias; Dois grupos: Transposons: mobilizados por intermediários de DNA Retrotransposons: mobilizados por transcrição reversa de um intermediário de RNA Maior parte do DNA intergênico e do genoma, colaborando com o Enigma do valor C; São importantes para a reestruturação de genes e cromossomos, alteram a expressão de alguns genes ou originam novos genes. Podem ser agentes mutagênicos.

27 Transposons 3% do genoma no homem Retrotransposons 42% do genoma humano

28 Agrupamentos de genes Genes Eucarióticos são organizados em sua maioria em unidades de transcrição individual RNA monocistrônico; Em Eucariotos as unidades organizacionais gênicas são mais escassas, ao contrário de Procariotos; Operons Eucarióticos Menos comum em eucariotos nematódeos, insetos, plantas Alguns organismos podem ter seus genes organizados em unidades de transcrição policistrônicas, porém estes transcritos são convertidos em mrnas monocistônicos por trans-splicing A regulação da expressão gênica é principalmente em nível pós-transcricional

29 Agrupamentos de genes Genes funcionalmente relacionados Genes parálogos mantêm-se agrupados apenas se houver pressão seletiva, caso contrário são dispersos. Família multigênicas podem manter seus genes agrupados por vantagens funcionais. Vantagens: Padrão de expressão, geração de variabilidade HISTONAS e rrnas! Agrupamento de genes coexpressos Genes individuais sem correlação funcional podem estar posicionados próximos a genes coexpressos, ou seja, que compartilham um determinado padrão de expressão espacial ou temporal.

30 Família rrna Repetição em tandem de A, distribuídos em diferentes cromossomos e em múltiplas cópias!

31 Família Histonas

32 Genomas de Organelas Genomas extranucleares em eucariotos ocorrem em mitocôndrias e plastídeos Estes genomas possuem genes relacionados ao funcionamento da organela: Síntese de ATP em mitocôndrias - mtdna Fixação do carbono em cloroplastos cpdna Armazenamento de pigmentos em plastídeos - ptdna Semelhantes aos de procariotos: tamanho molécula de DNA fita dupla e circular Organização em operons Homologia entre proteínas codificadas Autonomia na transcrição e tradução Transferência gênica endossimbiótica: proteínas necessárias passaram a ser codificadas pelo genoma nuclear.

33 Genomas Mitocondriais Genoma Mitocondrial: 1 cromossomo circular único há exceções Tamanho: Maiores: angiospermas entre 220 kb e 2,9 M Menores: metazoários entre 11 kb e 24 kb Humano: 16,5 kb presença ou não de íntrons sequências repetidas curtas pseudogenes Tamanho do genoma não relacionado com o nº de proteínas Humano: 13 proteínas, 2 genes subunidades de rrnas e 22 trnas Códigos genéticos alternativos: códigos diferentes do nuclear, necessitando trnas específicos. Processamento pós-transcricional de RNA: trans-splicing

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35 Genomas de Plastídeos Genomas de Plastídeos: circulares com 1 único cromossomo, com até 1000 cópias por organela; Genomas de plastídeos contém mais genes que o genoma de mitocôndrias Maioria com genoma entre 100kb e 200kb sem relação com a complexidade da espécie; Genes dedicados à fotossíntese, aspectos do metabolismo e à expressão gênica (transcrição e tradução) entre 80 e 200 genes. Contém íntrons Código genético igual ao código universal Processamento pós-transcricional: trans-splicing