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DNA Polímero formado por nucleótidos – base azotada (parte hidrofóbica) + pentose + grupo fosfato (parte hidrofílica). Nucleósido – base + açúcar. Bases azotadas - purinas – duplo anel, A e G; pirimidinas – anel simples, T, C e U. Dupla hélice – unida por duas forças: pontes de H nas bases complementares e interações hidrofóbicas. Extremidade 5’COOH e 3’OH. Cadeia codante DNA = mesma sequencia do mRNA; Cadeia anticodante é a complementar que serve de molde para a síntese do DNA. DNA não codificante: ncDNA – DNA que não contem instruções para fazer proteínas, consiste em elementos reguladores, intrões, RNA não codante, sequencias repetitivas e telómeros. Estão envolvidos em vários processos biológicos: tRNA, rRNA ou snRNA, assim como pequenos cmRNA e microRNA. microRNA – pequenas sequencias de RNA cortadas de uma larga sequencia precursora não codante que atuam como reguladoras da expressão genica em plantas e animais, pós-transcrição. Existem cerca de 2000 miRNA em humanos. Biogénese do miRNA: são transcritos pela RNA polimerase II no núcleo em miRNA primários. Estes sofrem capping e poliadenilação. São de seguida ligados a um complexo que abrange a enzima RNAase – DROSHA - e o seu cofator essencial – proteína de ligação DRGCR8. Micro RNA são moléculas curtas de RNA, expressas endogenamente que regulam a expressão génica, ligando-se diretamente á UTR 3’ de mRNA codificador de proteínas. Micro RNAs são processados pelo núcleo pela DROSHA, exportadas para o citoplasma e a clivagem pelo DICER determina o miRNA maduro. A cadeia madura é carregada no RISC que guia o complexo para o mRNA alavo, reprimindo a tradução. Estrutura e organização do gene Promotor – região reguladora a montante do inicio da transcrição. Local de ligação da maquinaria. Caixa TATA – sitio de ligação do fatores de transcrição. Intrão – região não codificante que é removida no RNA madura. Fase do intrão: - fase 0 – tripleto normal - fase 1 – 1 do tripleto anterior e 2 do seguinte - fase 2 – 2 do tripleto anterior e 1 do seguinte. Exão – na molécula de mRNA pode codificar aminoácidos. Nos outros tipos de RNA é uma parte estrutural. UTR – região não traduzida; ORF – open frame Reading ou região que é traduzida. Codão START – metionina ATG OU AUG ; Codão STOP – vários Tipos de RNA tRNA – transporta aminoácidos do citosol para o ribossoma. Contem o anticodão, que pareia com o codão mRNA. rRNA – juntamente com as proteínas ribossomais formam as sub-unidades ribossómicos. mRNA – leva a informação genética contida no DNA para ser produzida a proteína. snRNA – atuam no processamento do mRNA. miRNA – microRNA’s. • Codificantes: pré-mRNA → mRNA • Funcionais: pré-rRNA → rRNA; pré-tRNA →tRNA; snRNA; scRNA; tmRNA em bactérias. Estrutura da cromatina Heterocromatina - DNA inativo com funções estruturais durante o ciclo celular. Constitutiva – não é expresso em proteínas e está sempre condensada – centrómeros e telómeros. Facultativa – não é permanente e contem apenas genes inativos. Eucromatina – DNA ativo que pode ser expresso em proteínas e enzimas. Nucleossoma – estrutura básica da cromatina. Formada pelas histonas H2A, H2B, H3 e H4 enquanto que a H1 une todas elas, estabilizando o nucleossoma DNA linker – liga dois nucleossomas Para a maquinaria aceder ao DNA a cromatina tem de se abrir. Acetilação – Histona Acetil transferase. Histonas alteram a conformação, abrindo a cadeia Metilação – está associado á repressão transcricional (heterocromatina). Genes ativos – DNA desmetilado + histonas acetiladas Genes inativos – DNA metilado + Histonas desacetiladas + histonas metiladas Remodeling – alterações na estrutura do cromossoma não alterando o posicionamento Sliding – movimentação física do nucleossoma ao longo da cadeia de DNA Displacement – nucleossoma é transferido para outra molécula de DNA ou partes adjacentes. RNA polimerase VS DNA polimerase Semelhanças: A direção de crescimento da cadeia é igual: ambas adicionam nucleótidos a uma extremidade 3’-OH em crescimento. Ambas usam como substrato nucleótidos trifosfatados como fonte de energia para o deslocamento da enzima. Ambas usam uma cadeia de DNA como molde para a cadeia que sintetizam. Diferenças: RNA polimerase não tem atividade de reparação. As DNA polimerases precisam de sequencias iniciadoras – primers. As RNA polimerase sintetizam uma cadeia molde RNA complementada a partir do molde de DNA enquanto que as DNA polimerase usam a cadeia molde para sintetizar a complementar do DNA. Transcrição do RNA Dogma Central – a expressão da informação genéticas é unidirecional. Unidades de transcrição – apenas uma pequena porção do DNA é traduzida Processo de formação do mRNA a partir da cadeia molde de DNA no núcleo. É catalisada pela enzima RNA- polimerase. Fatores de transcrição responsáveis por romper as ligações de H entre as bases. Tipos de RNA polimerase - PolI – sintetiza rRNA no núcleo. - PolII – sintetiza mRNA e snRNA no nucleoplasma. - PolIII – sintetiza genes de tRNA, a componente 5S do tRNA e outros snRNA no nucleoplasma. Fatores de transcrição – TF’s As RNA polimerase precisão de fatores de transcrição. TF’s gerais – formam complexo no DNA, recrutam RNA polimerase, promovem inicio da transcrição e são suficientes para os níveis basais da transcrição. – Housekeeping genes TF’s específicos – função reguladora na transcrição, ativados/inativados em alturas e locais específicos. Controlam o padrão de transcrição no tempo/espaço e ligam o DNA aos elementos de controlo – enhancers ou repressors. Caixa CG Caixa TATA Caixa CAAT Mecanismos de TF’s que regulam a transcrição: • Estabilizam/bloqueiam a ligação da RNA Pol ao DNA. • Catalisam a acetilação/desacetilação das histonas, por vezes com o auxilio de proteínas (HAT – histona acetil- transferase; HADC – histona desacetilase). • Ligação de um ativador ao sitio de ligação potencializa a ligação do TFiiD á caixa TATA e o recrutamento do TFiiB. Reconhecimento do promotor pela RNA Polimerase através de proteínas acessórias. Nas bactérias o TF’s mais importantes são os fatores sigma – permite a polimerase ligar-se ao promotor. A ligação da RNA polII ao promotor requer 26 TF’s que formam sequencias chamadas de enhancers ou silencers. Assim que se dá o reconhecimento do promotor o mecanismo da transcrição passa por 3 fases: 1. Iniciação: • TBP (componente do TFiiD) liga-se ao DNA pela caixa TATA. • TFiiD e TFiiB ligam-se ao TBP e promovem a ligação da RNA PolII ao inico da transcrição. • Ligação do TFiiD, TFiiE e TFiiH através da atividade da helicase – destabiliza a dupla hélice - e quinase – fosforilação do CTD. • TFiiH usa ATP para fosforilar a RNA PolII, de forma a que esta é liberada do complexo e é capaz de iniciar a transcrição. • A cadeia molde entra na PolII até o centro ativo. • Inicia-se a transcrição 2. Elongação: • Enquanto a RNA PolII encontra novos nucleótidos da cadeia molde DNA, sucessivos nucleótidos são adicionados ao transcrito em crescimento na extremidade 3’. • Quando a base complementar se liga o centro ativo muda estruturalmente e promove a formação da ligação fosfodiéster na cadeia de cescimento. 3. Terminação: • Quando a RNA PolII chega ao codão STOP esta dissocia-se do DNA e a molécula de mRNA recém formada é libertada. • Iniciação da segunda ronda de transcrição não implica o termino da primeira. Um gene pode ter várias moléculas de mRNA em crescimento. Regulação da transcrição: • Conformação da cromatina • Metilação do DNA • Regulação de genes por promotores Processamento do mRNA A molécula RNA recém produzida a partir do DNA modelo é um transcrito primário. O processamento dessa molécula para mRNA maduro ocorre dentro do núcleo das moléculas eucariotas. Inicia-se durante a transcrição, e a maquinaria de splicing é recrutada depoisda colocação da cap5’ pela PoliII e TF’s Consiste em 3 eventos: 1. Adição da guanina modificada pelo CTD na extremidade 5’ – cap 5’ – necessária para o ribossoma se ligar ao mRNA para iniciar a síntese proteica. Função: protege o transcrito das exonucleases 5’ →3’ e facilita o transporte do núcleo para o citoplasma – Capeamento do mRNA 2. Adição de uma cauda de polyA na extremidade 3’. Esta estabiliza o mRNA e facilita o transporte para o citoplasma – Poliadenilação do mRNA 3. Remoção dos intrões pelo Splicing. Splicing – processo que remove os intrões e junta os exões durante a transcrição do mRNA pelo sliceossoma. As células procariotas não têm intrões. O spliceossoma é formado por proteínas ligadas ao snRNA. Splicing alternado – tipo de splicing no qual os intrões são removidos de formas diferentes, ligando os exões também de formas diferentes. Pode produzir diferentes proteínas a partir do mesmo gene. Os diferentes mRNA formados são chamados de transcritos. Tradução do mRNA – sentido 5’ ->3’ A síntese de proteínas envolve 2 processos: • Transferência de informação no qual a sequencia de bases do mRNA determina a sequencia de aminoácidos. • Processos químicos pelos quais os aminoácidos são ligados. Componentes da tradução: • mRNA – contem sequencia codante • ribossomas – local de síntese proteica, alinham os tRNA com os anticodões e adicionam aminoácidos ao polipéptido em crescimento por ligações peptídicas. • tRNA – contem anticodão com o correspondente aminoácido, transporta-os para o ribossoma. • Aminoacil-tRNA sintetases – catalisam a ligação de um aminoácido ao tRNA. • Fatores de iniciação, elongação e terminação – especializadas para participar nas diferentes fases da tradução. 1. Iniciação: envolve múltiplas proteínas elFs – eukaryotic initiation factos. o elF1A e elF3 ligam-se á sub-unidade ribossomal 40S. o elF2 em complexo com GTP liga-se ao tRNA iniciador. o elF4 ligado ao cap5’ leva o mRNA para o ribossoma o Scanning do mRNA (5’ →3’) até ao codão iniciador AUG – metionina. o Dissociação dos fatores de iniciação e ligação do anti-codão complementar através do metionil – tRNA iniciador. o Sub-unidade 60S (inclui 3 sitios de ligação para o tRNA: E-exit-P-peptidyl-A-aminoacyl) liga-se á 40s e forma o complexo de iniciação. o Depois da formação do complexo de iniciação, a tradução prossegue por elongação da cadeia. 2. Elongação o tRNA iniciador liga-se ao sitio P deixando o A vazio. o Segundo tRNA liga-se ao local A formando uma ligação peptídica – enzima peptidil transferase – com o aminoácido inicial. o tRNA iniciador é translocado para o sitio E e é liberado. o Ribossoma move-se ao longo do mRNA fazendo a ligação de anti-codão-codão e adicionando aminoácidos á cadeia polipeptídica. 3. Terminação: quando o ribossoma atinge um codão STOP no mRNA, o polipeptídeo e o mRNA são libertos: o O tRNA que suporta a cadeia polipeptídica fica na unidade P. o Fator de libertação (RF) liga-se ao ribossoma. o O polipeptídeo é separado do tRNA a que está ligado. o As sun-unidades 40S e 60S são recicladas e usadas na tradução de outro mRNA. Replicação de DNA É um processo semi-conservativo, cada cadeia da dubla hélice serve de molde para a síntese de uma nova cadeia filha. Requer a quebra das ligações de H entre as bases. o Inicia-se em pontos específicos – origens de replicação – resultando numa forquilha de replicação onde a topoisomerase desenrola a dupla hélice de DNA e a DNA helicase quebra as pontes de H entre as bases após a DNA polimerase. o As proteínas SSB (single-stranded DNA binding proteins) estabilizam a cadeia simples do DNA e impedem que as cadeias se juntem novamente. o A DNA polimerase adiciona desoxirribonucleicos no terminal 3’ da cadeia em crescimento, usando a cadeia separada como molde. Substratos para a DNA polimerase: dATP, dGTP, dTTP e dCTP. o A polimerização catalisada pela DNA polimerase ocorre no terminal 3’ em crescimento a síntese é continua numa das cadeias molde – cadeia líder ou leading. o Na outra cadeia como a síntese ocorre no sentido 5’ →3’ (ou seja é lida de 3’ →5’) ocorre em fragmentos – fragmentos de Okasaki - e na direção contrária ao movimento da forquilha de replicação. Estes fragmentos vão ser mais tarde ligados pela DNA ligase. Esta cadeia é a atrasada ou lagging. o No inicio da replicação em ambas as cadeias são sintetizados pequenos fragmentos de RNA para servirem de iniciadores da polimerização - RNA primers – que são sintetizados pelos complexos proteicos – primossomas – cujo componente principal é a primase (tipo de RNA polimerase) o A replicação em eucariotas pode ser iniciada em vários locais ao longo da cadeia – o que reduz o tempo de replicação. A replicação é bidirecional. Proof-reading: A DNA polimerase verifica a cadeia através de uma exonuclease (3’ →5’) que consegue remover a base errada. Enzimologia da replicação do DNA 1. Inicio da replicação o Topoisomerase – DNA girase desenrola o DNA o Helicase – separa as fitas de DNA o SSB – liga-se ao DNA fita simples e estabiliza-o, impedindo que voltem a unir-se. o Primossoma – complexo enzimático com o RNA primase – tipo de RNA polimerase que sintetiza primers de RNA 2. Elongação o DNA polimerase o DNA polimerase α – sintese e iniciação da fita atrasada o DNA polimerase β – repara o DNA o DNA polimerase δ – síntese da fita líder; exonuclease de atividade 3’ →5’ o DNA polimerase ε – reparo do DNA; exonuclease de atividade 5’ →3’ o Nucleótidos - dATP, dGTP, dTTP e dCTP. o Fita de crescimento contínuo – leading 5’ ->3’ o Fita de crescimento descontinuo – lagging 3’ ->5’ – fragmentos de Okazaki 3. Terminação o Nucleases reparadoras – retiram os seguimentos de primer o DNA polimerase b – repara DNA e preenche os espaços vazios. o DNA ligase – une os fragmentos de DNA o Telomerase – síntese de telómeros. Mecanismos de reparação dos telómeros Durante a replicação da cadeia atrasada os primers dos fragmentos de Okazaki podem ser substituídos por DNA e ligados para formar uma fita continua. Mas quando a forquilha de replicação chega á extremidade de um cromossoma há um prolongamento do DNA que não é coberto pelos fragmentos. Assim partes do DNA eucarióticos seguem sem serem copiados em cada ciclo de replicação. Sem um mecanismo de compensação o cromossoma iria encurtar cada vez mais. Para evitar a perda de genes as extremidades dos cromossomas têm tampões de DNA – telómeros. Estes precisam ser protegido dos sistemas de reparação das células. As extremidades dos telómeros formam alças protetoras assim como a presença de proteínas associadas ás extremidades que impedem a reparação. Algumas células tem a capacidade de reverter o encurtamento dos telómeros através da expressão da telomerase, que estende os telómeros dos cromossomas. Telomerase – transcriptase reversa que consegue sintetizar DNA a partir de RNA. Reconhece a extremidade rica em G do telómero a aumenta por complementaridade o comprimento do telómero. Existe normalmente nas células germinativas e de tronco mas não nas células somáticas Replicação do DNA circular teta: Bactérias É iniciada numa única origem de replicação. Se existirem duas forquilhas de replicação estas progridem em ambos os sentidos, ate se encontrarem. Se tiver só uma forquilha, continua em redor ate produzir duas moléculas completas de DNA circulante. Replicação circular rolante: Inicia-se com a quebra de apenas uma cadeia num local especifico, onde os produtos de replicação circular rolante são varias moléculas de DNA circular. Transcrição: Procariotas VS eucariotas Procariotas Eucariotas Região promotora Caixa TATA e TTGACA Caixa TATA mRNA Monocistrónico e policistrónico Monocistrónico RNA polimerase 1 RNA polimerase com 6 unidades RNA PolI – rRNA RNA PolII– Mrna RNA PolIII – tRNA, 2 sub-unidades Estabilização do mRNA Inexistente Capping de 5’ e poliadenilação da extremidade 3’ Iniciação Fator sigma – ligação da RNA polimerase ao promotor Ligação da RNA polimerase ao promotor após os TF’s Intrões Inexistentes Eliminados no splicing Localização Acoplada á tradução Núcleo Controlo Simples Complexo através de vários TF’s em vários locais da região promotora Edição do RNA Dá-se no mRNA, tRNA e rRNA e foi detetada na mitocôndria, cloroplastos e snRNA. É editado segundo 2 mecanismos: 1. Alteração química de nucleótidos individuais – mutações pontuais. 2. Edição através da deleção/inserção. 1) Catalizadas por enzimas que reconhecem sequencias especificas: • Citosina deaminase – converte citosina em uracilo • Adenosina deaminase – converte adenosina em inosina, que depois os ribossomas traduzem como guaninas. 2) A inserção/deleção são guiadas pelas moléculas RNA guias. No caso das inserções como os gRNA são ricos em adeninas a inserção de uracilos é a mais comum. Tamanho do genoma C-value – conteúdo do genoma haploide Unidades: Kb – kilobases= 10^3 pares de bases; Mb – megabase= 10^6 pares de bases Genoma viral – 100-1000 Kb. Genoma bacteriano – 1-10 Mb. Genoma eucariótico – 100-1000 Mb. Aqui não há relação entre o C-value e a complexidade do organismo. Mutações A maioria é espontânea – aleatória. As taxas de mutação podem ser aumentadas com mutagénicos químicos ou radiação – mutações indutoras. Mutações germinativas – células que formam gametas – são herdadas. Mutações somáticas – todas as outras que não são herdadas. Mutações condicionais – produzem mudanças fenotípicas sob condições especificas. Também podem ser classificadas de acordo com o seu efeito no gene: • Mutação de perda de função – knockout ou null – inativação completa do gene. • Mutação hipofórmica – reduz o nível de expressão de um gene ou atividade de um produto. • Mutação hipermórfica – nível de expressão genética maior do que o normal porque altera a regulação do gene, ou seja, o produto é superproduzido. • Mutação de ganho de função – altera a ação de um gene qualitativamente. A nível molecular podem-se sub-dividir: • Transição – base pirimidina substituída por uma pirimidina, ou purina substituído por outra purina. • Transversão – pirimidina é substituída por uma purina ou vice-versa. Existem 8 possíveis mutações. o Anemia falciforme – GAG →GTG Podem ainda ser classificadas de acordo com o seu efeito na translação: • Mutações missense ou não sinónimo – troca de um aminoácido por outro. • Mutações sinónimas ou silenciosas – substituições no DNA que não altera a sequencia do aminoácido. • Mutações nonsense – cria um novo codão STOP. • Mutações framshift – inserções ou deleções que deslocam o quadro de leitura dos codões mRNA. Qualquer inserção ou exclusão que não seja múltipla de 3 produzirá esse deslocamento. Hotspot para mutações - Apesar de a maioria das mutações serem espontâneas apresentam locais mais prováveis de acontecerem, por exemplo locais de metilação da citosina Resumo Origem Espontânea Induzida Na ausência de mutagénicos Na presença de mutagénicos Tipo de célula Somática Germinativa Células não reprodutoras Células reprodutoras Expressão Condicional Incondicional Expressa em condições restritivas Expressa em condições independ. Efeito na função Perda de função Hipomórfica Hipermórfica Ganho de função Função normal é eliminada Função normal é reduzida Função normal ampliada Expressa em células inapropriadas Mudança molecular Substituição de bases Transição Transversão Inserção Deleção Um par de base é substituído por outro: purina por pirimidina etc Presença de um ou mais nucleótidos extra. Um ou mais nucleótidos em falta Efeito na tradução Silenciosa – sinónimo Missense – não sinónimo Nonsense – terminação Frameshift Sem alteração na sequencia de aa Alteração na sequencia de aa Criação de um codão STOP Mudança do quadro de leitura Agentes de mutação • Agua: Depurinação – erro na replicação de DNA forma locais sem purinas causados por hidrólises. • Agente oxidante: Desaminação – substitui um grupo amina por uma hidroxila causando pareamentos errôneos causados pelo óxido nítrico. • Base análoga: estruturas moleculares semelhantes a bases comuns que podem ser incorporados caso estejam no filamento DNA em replicação • Agentes alquilantes: Reagem com o DNA adicionando grupos etil ou metil ás bases. Normalmente a área afetada é a guanina acabando por provocar um misspairing com a timina. • Agentes intercalares: intercalam entre as bases resultando na distorção e portanto inserção/deleção de pares de bases. • Ultravioleta: forma dímeros de timinas – ligações covalentes entre pirimidinas adjacentes, principalmente T. • Radiações ionizantes: formação de iões reativos e radicais livres. Mecanismos e reparação • Mismatch repair: repara pares de bases emparelhados corretamente. • AP endonuclease repara sítios de nucleótidos nos quais a base foi perdida. • Enzimas especiais repara o dano causado por luz ultravioleta. • Reparo por excisão: funciona numa variedade de danos ao DNA. Pode ser geral – ocorre ativação em qualquer zona do genoma – ou pode ser acoplada á transcrição – RNA polimerase deteta uma lesão no DNA, ativa a maquinaria NER que desenrola a cadeia e repara a lesão. • Reparo pós-replicação ignora as bases danificadas: quando a replicação é bloqueada devido a uma mutação ocorre ativação do sistema. Herança Autossómica Dominante: possibilidade de 50% quando um dos progenitores possui a mutação. Exemplos: acondroplastia; distrofia miotónica, doença adulta do rim policístico; doença de Huntigton, etc Herança Autossómica Recessiva: apenas quando variantes patogénicas são herdadas da mae/pai sendo estes portadores saudáveis, 80%. Exemplos: albinismo; alcaptonúria; anemia falciforme; doença de Tay-Sachs; fibrose cística e quase todos os erros hereditários do metabolismo. Herança ligada ao Cromossoma X: Ocorre quando uma variante genética está no cromossoma X, surgindo om mais frequência nos homens que nas mulheres. Inativação do cromossoma X: Processo fisiológico no qual um dos X é inativado nas células somáticas das mulheres normais igualando assim a expressão da maioria dos genes ligados ao cromossoma X em ambos os sexos – Teoria da Compensação de Dose. Herança Recessiva Ligada ao X: Tipicamente expressa no fenótipo de todos os homens que a recebem, mas somente nas mulheres homozigóticas Exemplo: daltonismo; hemofilia; síndrome de Hunter, etc Herança Dominante ligada ao X: é regularmente expresso em heterozigotos. Difere da Herança Autossómica Dominante pela ausência da transmissão homem-homem. Exemplo: síndrome do X frágil; raquitismo resistente á vitamina C; Síndrome de Rett Herança ligada ao Y: transmitido para todos os homens e nenhuma mulher. Herança Materna – Mitocondrial: Segregação replicativa – ausência de segregação controlada entre a mitose e a meiose Homoplasmia e Heteroplasmia – maioria das células contem muitas cópias de moléculas de mtDNA. Quando surge uma mutação no mtDNA inicialmente so esta presente numa delas numa mitocondria. Hibridização em Southern Blot O DNA é fragmentado utilizando-se enzimas de restrição e os fragmentos são separados por eletroforese em gel de agarose de alta resolução. Aplicações: • Deteção direta de mutações pontuais patogénicas por mapeamento e restrição • Deteçãp de RFLP convencionais • Deteção de VNTR • Deteção de deleções/inserções génicas por mapeamento de restrição. PCR Análises de dissociação de DNA: amplificar o aprimoramento das antigas análises