Aula 8 - estrutura e funcionamento dos genes

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ESTRUTURA E FUNCIONAMENTO 
DOS GENES 
 
Profa. Dra. Merari de Fátima Ramires Ferrari 
Depto de Genética e Biologia Evolutiva 
IBUSP 
 
BIO228 – GENÉTICA HUMANA 
FARMÁCIA – 2011 
Composição do DNA humano 
Porcentagem de sequências 
codificantes de proteínas, 
não codificantes de proteínas 
e não transcritas em bactéria, 
levedura, nematoda e 
mamífero. 
Composição do DNA 
Aumento da 
porcentagem de 
transcritos não 
codificantes em 
mamíferos 
Porcentagem de sequências 
codificantes de proteínas, 
não codificantes de proteínas 
e não transcritas em bactéria, 
levedura, nematoda e 
mamífero. 
Composição do DNA 
 
Alta proporção de RNAs não codificantes de proteínas 
 
5 
Comparação da 
porcentagem de DNA 
não codificante entre 
organismos 
98% 
TRANSCRIPTOMA EM CÉLULAS HUMANAS 
Compactação da Cromatina 
Eucromatina: os laços são acessíveis às 
RNA polimerases e outras proteínas de 
transcrição gênica 
- Organização e otimização do espaço nuclear 
 
 
Proteínas envolvidas no empacotamento da cromatina: 
 
Histonas: 
H2A, H2B, H3, H4 e H1 
 
Não-histonas: 
proteína N1 – liga H3 a H4 
Nucleoplasmina – liga H2A a H2B 
Condensinas – aumenta o nível de compactação 
 
 
 
Afrouxamento da cromatina de 30nm 
Ligação de 
complexos que 
remodelam a 
estrutura da 
cromatina e 
modificação 
estrutural das 
histonas 
A expressão do gene 
Sinalização Intracelular 
Segundos Mensageiros: 
AMPc 
Ca2+ 
etc. 
Ativação de receptores 
intracelulares 
Fosforilação de proteínas chave 
“Fatores de Transcrição” 
Expressão gênica 
Níveis de regulação da expressão gênica 
1. Atividade transcricional do gene 
 
2. Pós-transcricional 
- Sobrevida do RNAm no citosol 
 - Degradação do RNAm e proteínas 
 
 
O gene possui várias partes funcionais 
RNApol I: transcreve os genes para RNAr 
RNApol II: transcreve genes para RNAm, RNA peq. 
RNApol III: transcreve genes de RNAt, RNAr 5S, RNAs estruturais 
sequência de 
terminação 
Ligação da RNA-polimerase (TATA / CAAT) 
Corrente acima 
TATA binding protein 
elonguina 
TRANSCRIÇÃO DOS GENES 
 
Ativados por fatores de TRANSCRIÇÃO 
GERAIS: 
 
TBP, TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH 
 
Os quais se ligam e ativam a RNA 
polimerase 
FATORES GERAIS DE 
TRANSCRIÇÃO 
 
•Ligação da RNA 
polimerase 
 
•Abertura da dupla-fita 
de DNA 
 
•Liberação da RNA 
polimerase do 
promotor 
Regulação da transcrição gênica 
 
 FATORES DE TRANSCRIÇÃO ESPECÍFICOS 
Motivos de ligação ao DNA 
Dedos de zinco 
Hélice-volta-hélice 
Zíper de leucina 
Hélice-alça-hélice 
Hélice-volta-hélice 
Exemplos: 
 
Fatores de transcrição de genes 
envolvidos na formação do plano 
corporal durante o 
desenvolvimento embrionário 
(genes homeóticos codificam 
proteínas desse tipo) 
 
Fatores de transcrição de genes 
implicados na diferenciação das 
células musculares 
Duas cadeias de aminoácidos separadas por uma volta. 
Uma das hélices reconhece a sequência de nucleotídeos da região reguladora 
do gene e a outra hélice mantém a hélice leitora na posição adequada 
Hélice-alça-hélice 
Duas alfa-hélices ligadas por uma 
alça. 
 
Essa estrutura liga-se tanto ao DNA 
quanto a outro motivo hélice-alça-
hélice de uma segunda proteína 
desse tipo. 
 
Zíper de Leucina 
Duas hélices polipeptídicas em 
paralelo. 
1 setor de ligação ao DNA e 1 setor 
que se liga ao seu homólogo para 
formar um dímero (rico em leucinas 
que formam um zíper na interação) 
Exemplos: fatores de transcrição que 
regulam a atividade de 
protooncogenes (c-myc, c-fos, c-jun) 
leu 
leu 
leu 
leu 
leu 
leu 
leu 
leu 
Dedos de zinco 
Ex.: Receptores citosólicos de hormônios esteroidais (estrógeno, testosterona) 
+ 
citoplasma 
núcleo 
Hormônio 
lipofílico 
Receptor 
Região 
promotora 
transcrição 
Modelo de expressão gênica por receptores intracelulares 
Receptores intracelulares 
Tamoxifen/raloxifene: fármaco que bloqueia o efeito do receptor de estrógeno 
no tecido mamário e uterino. Usado no tratamento de câncer de mama. 
5’-cap CRE SCM SRE AP-1 SRE-2 
TATA 
 box 
ATG 
-350/-345 
-347/-335 
-317/-298 
-297/-291 
-278/-259 -62/-55 -31/-26 1 154 294 
5’ 
Região 
AT 
ALU ALU ERE 
Sinal de Poli 
A 
1048 1299 1731 1838 2591 1953 
3375/3379 
3952/4262 5089/5379 ~5000 ~5405 
3’ 
ORF 
TGA 
752 432 115 
785 
47 aa. 
84 aa. 36 aa. 213 aa. 
CaRE/CRE HSP 70 
-260/-252 
-244/-235 
153 
5’UTR 
3’UTR 
Elemento responsivo 
ao AMPc 
Elemento responsivo 
a esteroides Sítio de ligação FOS 
(autorregulação) 
Exemplo de gene com suas regiões reguladoras 
(gene c-fos) 
Apenas a cadeia 3’ – 5’ do DNA é transcrita em RNA 
Quepe 
 A U 
T A 
C G 
Tipos de RNA 
 
 RNA mensageiro: interface gene-proteína 
 
 
 
 
 
 
RNA ribossômico: estruturais, formam os ribossomos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 RNA transportador: atuam como adaptadores na síntese proteica 
 
RNA citosólico pequeno (scRNA): partícula de reconhecimento do sinal (para RER) 
RNA nuclear pequeno (snRNA): faz parte de ribonucleoproteínas de processamento do RNAm 
RNA nucleolar pequeno (snoRNA): pertencem a certas ribonucleoproteínas RNPnop que 
intervêm no processamento dos RNAr. 
RNA de inativação do cromossomo X (RNAXist) 
RNA da telomerase (RNAte): complexo ribonucleico que recupera o DNA telomérico em 
células germinativas 
Micro RNA: silenciamento do RNAm no citoplasma 
RNA não codificante longo: papel regulatório, interage diretamente com a cromatina 
RNA antisense: complementar ao RNAm 
Tipos de RNA 
Processamento do transcrito primário - RNAm 
Os transcritos primários são processados no núcleo onde o RNAm perde os 
íntrons e gera um RNAm com informações genéticas contíguas apto a dirigir a 
síntese de proteínas 
spliceossomo 
Processamento 
do transcrito 
primário 
O complexo de 
ribonucleoproteínas nucleares 
reconhece as regiões intrônicas 
e exônicas do RNA e as remove 
à medida que o RNA é transcrito 
Processamento do RNAm 
Processamento alternativo do RNAm 
Splicing alternativo 
Fluxo de informação do DNA à Proteína 
Códon de iniciação (AUG) 
Fluxo de informação do DNA à Proteína 
Tradução do RNAm - citoplasma 
O RNAt tem a forma de um trevo. 
 
A região 3’ liga-se ao aminoácido. 
 
O anticodon se pareia com o códon do 
RNAm. 
RNA transportador 
Código genético – RNA → Proteína 
Tradução do RNAm - citoplasma 
Os genes do RNA ribossômico ficam no nucléolo 
•45S = 28S / 18S / 5,8S 
 
•200 cópias do gene do RNAr 45S localizadas nos 
cromossomos 13, 14, 15, 21 e 22, separadas entre si 
por DNA espaçadores 
 
 
•5S = fora do nucléolo (2000 cópias do gene no 
cromossomo 1, também espaçadas por DNA 
espaçadores) 
Processamento do RNA ribossômico 
O precursor 45S é metilado, uma série de reações enzimáticas clivam e 
produzem o 18S, 5.8 e 28S, essa clivagem depende do RNA nucleolar pequeno 
 Repressão da Transcrição Gênica 
A inativação gênica é tão importante quanto a 
expressão seletiva de genes 
 
 
Exemplos: 
 
Neurônios possuem o gene para expressão das globinas, 
mas estão inativados. 
 
Em células sanguíneas vermelhas esse gene está ativo, não 
está metilado. 
 
Diferenciação 
celular 
Praticamente todas as células 
somáticas do organismo possuem 
o mesmo material genético. O que 
as diferencia é o padrão de 
expressão gênica. 
Eucromatina x Heterocromatina 
inativa ativa 
Diferença no padrão de expressão de proteínas no 
cérebro e fígado 
Os fatores de transcrição 
podem ser ativadores ou 
repressores da 
expressão gênica 
LCR=região de controle do loco 
REGULAÇÃO DA 
EXPRESSÃO GÊNICA 
Regulação na expressão gênica que não envolve 
alteração da sequência do DNA, e que pode 
persistir por uma ou mais gerações. 
EPIGENÉTICA 
• Metilação do DNA 
• Modificação das Histonas 
– Metilação 
– Acetilação 
– Fosforilação• Silenciamento do RNA 
• Imprinting 
• Territórios cromossômicos 
 
Metilação – Citosina – DNA – repressão gênica 
Metilação de citosinas 
seguidas de guaninas 
(CpG) 
 
A metilação inativa 
os genes 
Metilação – Citosina – DNA – repressão gênica 
Repetição CGG 
Metilação nas ilhas CpG 
Inativação do gene 
 
 
Fenótipo: Retardo do desenvolvimento 
neurológico 
Síndrome do X frágil 
(CGG)n 
Modificação das histonas que regulam a atividade gênica 
– Metilação: inibe transcrição 
– Acetilação: permite transcrição 
– Fosforilação: permite transcrição 
Modificação das histonas que regulam a atividade gênica 
Modificação Significado 
Histona H3 
 
K=lisina S=serina 
Repressores e ativadores podem agir sobre a 
desacetilaçao/acetilação das histonas 
Silenciamento do RNA 
microRNA bloqueia a síntese proteica 
•As cadeias de procolágeno são 
glicosiladas e hidroxiladas 
 
 
•Formam uma tripla hélice = molécula 
de procolágeno 
 
 
•As moléculas de procolágeno são 
clivadas e organizam-se em fibrilas de 
colágeno. 
 
 
•Osteogênese imperfeita: mutações 
diversas alteram a conformação do 
colágeno 
Modificação pós-traducional 
I
M
P
R
I
N
T
I
N
G
 
As células filhas 
herdam o padrão 
de inativação do 
DNA das células 
mães após mitose 
Territórios Cromossômicos 
O núcleo apresenta uma continuidade estrutural e funcional devido a uma série 
de interações bioquímicas entre seus componentes 
ENVELOPE 
FILAMENTOS DE LAMINA 
PROTEÍNAS 
REGULATÓRIAS 
CROMATINA 
Territórios Cromossômicos - Progéria 
• Envelhecimento acelerado acompannhado das doenças 
comuns em idosos 
 
• Mutação no gene da Lamina 
 
• Desestruturação do envelope nuclear e do posicionamento 
cromossômico 
Territórios Cromossômicos 
Não Sim