Organização gênica

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Organização gênica
Prof.ª Gabriela Cardoso Caldas
Descrição
Funcionamento, estruturação e organização do genoma de organismos procarióticos, estrutura básica de um
gene eucariótico e suas respectivas funções, além das sequências codificadora e sequências reguladoras e
estrutura da cromatina.
Propósito
Compreender a estrutura básica de um gene, seus elementos codificadores e reguladores, bem como as
principais características e diferenças da organização do material genético de organismos procariotos e
eucariotos é de fundamental importância para iniciar os estudos em biologia celular e molecular, fornecendo
base para o aprofundamento nos processos de transcrição e tradução do material genético e embasando o
conhecimento das técnicas aplicadas em genética.
Objetivos
Módulo 1
Funções, estrutura e organização do genoma procariótico
Reconhecer os principais componentes do genoma procariótico, suas funções, estrutura e organização.
Módulo 2
Gene eucariótico e suas funções
Identificar os elementos de um gene eucariótico e suas respectivas funções.
Módulo 3
Sequências reguladoras e estrutura da cromatina
Identificar as principais sequências reguladoras do genoma de procariotos e eucariotos e a estrutura da
cromatina eucariótica.
Introdução
Os seres vivos podem ser classificados em três grandes domínios: Bacteria, Archaea e Eukarya. Os dois
primeiros grupos compõem o superclado Prokarya, que engloba todos os organismos unicelulares conhecidos
por procariotos. O domínio Bacteria é formado pelas bactérias verdadeiras, que diferem das arqueas (domínio
Archaea) geneticamente, fisiologicamente e bioquimicamente. Nas espécies procarióticas, o DNA encontra-se
compactado numa região em que não é separada do restante do citoplasma. O terceiro domínio, Eukarya,
abrange um grupo heterogêneo de organismos – os eucariotos. Eles variam desde simples protozoários
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unicelulares até as plantas e animais superiores. As células eucarióticas apresentam organelas definidas e
compartimentalização do DNA em uma estrutura com membranas – o núcleo.
Em nosso estudo, vamos aprender sobre a organização do DNA, o genoma, de procariotos e eucariotos.
Vamos iniciar com os seres procariotos, reconhecendo a estrutura básica de um gene e os principais
componentes do genoma procariótico. Além disso, vamos discutir sobre a importância dos plasmídeos, das
ilhas de patogenicidade e a funcionalidade dos interessantíssimos operons.
Em seguida, vamos para o estudo dos genomas, mas agora nos seres eucarióticos. Vamos ver as principais
diferenças para o genoma de procariotos e as características das regiões gênicas e intergênicas. Ao final, você
estará pronto para responder se a complexidade de um organismo está relacionada à densidade gênica.
Por fim, vamos discutir a importância das regiões reguladoras, tanto nos procariotos quanto eucariotos. Logo
após, estudaremos sobre a organização da cromatina dos eucariotos. Afinal, como a fita de DNA, com dois
metros de extensão, cabe dentro do núcleo? Está pronto(a) para descobrir? Então se prepare, pois já vamos
iniciar essa interessante jornada pela biologia dos genomas.
1 - Funções, estrutura e organização do genoma
procariótico
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os principais componentes do genoma
procariótico, suas funções, estrutura e organização.
Familiarização com as estruturas
Os organismos procarióticos incluem todas as bactérias e arqueas e sua estrututra celular é bastante diferente
dos organismos eucarióticos. Nos procariontes, o material genético (DNA), por exemplo, encontra-se
compactado em uma região chamada de nucleoide, que não possui membranas separando-a do restante do
citoplasma. Ou seja, o material genético não está delimitado por uma membrana nuclear. Em algumas
situações e com o auxílio de técnicas de microscopia eletrônica, é possível visualizar o nucleoide bacteriano.
A maioria das bactérias contém apenas um cromossomo circular de DNA dupla fita densamente organizado
no nucleoide. Alguns gêneros bacterianos, como Borrelia, também podem apresentar o cromossoma linear. O
DNA cromossômico contém todas as informações genéticas que são essenciais para a sobrevivência da
célula.
Note, na imagem a seguir, a organização do nucleoide e a ausência de organelas membranosas, como o
retículo endoplasmático.
icroscopia eletrônica
O microscópio eletrônico é um equipamento com potencial de aumento muito superior ao óptico, o que permite a
visualização de estruturas e organelas celulares.
Anatomia da célula bacteriana.
As bactérias e arqueas colonizam praticamente todos os ambientes e formas de vida do nosso planeta. As
arqueas são conhecidas por conseguirem habitar ambientes extremos, como bordas de vulcões e lagos
hipersalinos. Essa habilidade evolutiva é atribuída à plasticidade genética dos procariotos, ou seja, a
capacidade do genoma de sofrer alterações, como mutações ou rearranjo, em condições de pressão
ambiental.
Comentário
Apesar da reconhecida heterogeneidade ecológica, fisiológica e genética dos procariotos, os genes e genomas
das bactérias e arqueas possuem alguns aspectos organizacionais comuns. Dessa forma, a partir de agora,
vamos estudar as principais características estruturais dos genes procarióticos.
Estrutura básica dos genes procarióticos
Antes de discutirmos a organização do gene procariótico, é importante que você aprenda alguns conceitos
básicos.
Um gene, seja ele de procarioto ou eucarioto, pode ser definido de forma simplificada como um segmento de
DNA que possui as sequências de nucleotídeos necessárias para a síntese de pelo menos um produto
correspondente: o RNA mensageiro (que será traduzido em proteína) ou RNA transportador ou RNA
ribossomal.
Basicamente, cada um dos genes é formado por uma região codificadora, que é justamente essa sequência
nucleotídica que codifica o RNA, e pelas sequências reguladoras que controlam a sua expressão.
Esquema simplificado da estrutura básica de um gene procariótico.
Entre as sequências reguladoras, as mais importantes são o promotor e o terminador (observe na imagem a
seguir). Não se preocupe, discutiremos com mais detalhes sobre as sequências reguladoras adiante.
Esquema simplificado da estrutura básica de um gene procariótico, mostrando o promotor e o terminador.
A expressão de um gene procariótico abrange a transcrição em um RNA, que pode ser um RNA transportador,
RNA ribossomal ou RNA mensageiro. Caso seja um RNA mensageiro, há a tradução do transcrito em uma
proteína. Para entender melhor, observe a imagem a seguir.
Processos de replicação, transcrição e tradução, do DNA para RNA até a formação da proteína, no caso de um RNA mensageiro.
Homologia e tamanho dos genes procarióticos
Uma característica típica dos genes procarióticos é a colinearidade entre um gene e seu produto.
Como assim?
Isso significa que há uma exata correspondência entre a sequência nucleotídica do DNA e a sequência de
nucleotídeos do RNA ou sequência de aminoácidos da proteína, dependendo se o transcrito do gene for um
tRNA, rRNAa ou mRNA.
Mas isso não é óbvio?
Pois é, embora essa relação pareça bastante simples de se fazer, ela representa uma das diferenças básicas
entre a estrutura da grande maioria dos genes procarióticos e eucarióticos. Isso porque, como veremos mais
adiante, os genes eucarióticos normalmente apresentam sequências que interrompem a sequência
codificadora.
Muitos genes procarióticos apresentam semelhanças em suas sequências nucleotídicas, que são
genericamente chamadas de homologias.
Os genes homólogos surgem a partir da ocorrência de diversos processos evolutivos ao
longo do tempo.
Quando esse evento evolutivo é uma duplicação de uma região cromossômica, uma das cópias pode manter a
função original, enquanto a outra pode assumir uma função relacionada. Nesses casos, os genes gerados são
chamados de parálogos . Caso um dos genes perca sua funcionalidade após a divergência, mas não a
homologia, é chamadode pseudogene .
Em relação ao tamanho, os genomas procarióticos variam amplamente, desde cerca de 150.000 pares de base
(150kb ou 0,15Mb) até 13.000.000 pares de base (13.000kb ou 13Mb). Porém, tanto em bactérias quanto em
arqueas, vemos distribuições características no tamanho dos genomas.
Em bactérias, predominam genomas com cerca de 2 a 5Mb. Já em arqueas, a predominância é de espécies
com genoma de 2Mb.
Comentário
O tamanho do genoma de qualquer espécie procariótica pode variar com facilidade ao longo da evolução,
devido a processos de ganho ou perda de sequências.
Com isso, você deve estar se perguntando se há uma quantidade mínima de genes nos genomas procarióticos,
certo? Pois é, chamamos esse conceito de genoma mínimo, que descreve o menor genoma capaz de abrigar o
mínimo necessário de genes para a sobrevivência de uma forma de vida celular.
Organização dos genes procarióticos – os replicons
Independentemente do tamanho, todos os genomas procarióticos são constituídos de DNA fita dupla. Porém,
vemos diferenças importantes na forma e no número de cromossomos, que se organizam em unidades de
replicação. Como já comentamos, a maioria das espécies de bactérias e arqueas possui um único
cromossomo, na forma de uma fita dupla de DNA circular, covalentemente fechada. Para entender melhor,
observe a imagem.
Organização do material genético da célula procariótica.
Porém, como também já comentamos, existem alguns poucos casos de bactérias que possuem mais de uma
molécula de DNA, que podem ser lineares ao invés de circulares.
Em um genoma que é constituído por mais de uma molécula de DNA, podemos denominá-las de acordo com
seu tamanho e conteúdo gênico. Entenda suas características a seguir:
Moléculas maiores
São centenas a milhares de quilobases (Uma quilobase (Kb) corresponde a 1000 bases de nucleotídeos), que
apresentam majoritariamente genes essenciais para a célula, são chamadas de cromossomos.
Moléculas menores
São dezenas a centenas de quilobases, que não contém genes essenciais, podem ser chamadas de
plasmídeos.
Mas qual seria a importância dos plasmídeos?
Plasmídeos são elementos genéticos móveis, de DNA circular, encontrados no citoplasma de bactérias e
também de algumas arqueas. Os genes contidos nos plasmídeos não contêm informações essenciais para a
célula, mas conferem vantagens seletivas, como, por exemplo, a resistência contra antibióticos.
Diferenças entre o DNA cromossômico e o DNA plasmidial, em bactérias.
O DNA plasmidial se mantém extremamente compactado, consegue se replicar independentemente do DNA
cromossômico e pode existir em número variável. Alguns plasmídeos podem se integrar no cromossomo e
recebem o nome de epissomos. Neste caso, sua replicação é dependente da replicação do cromossomo. A
integração do cromossomo pode ser reversível e, quando o epissomo se desliga do cromossomo, ele pode
levar genes bacterianos.
Existem plasmídeos de resistência, como os que conferem a produção das enzimas β-lactamases, ou de
virulência, como os que codificam proteínas de adesão. Quando a bactéria perde o plasmídeo, inclusive por
ação de algumas drogas, ela só consegue recuperá-lo através de uma nova infecção, como, por exemplo,
através do mecanismo de conjugação.
Comentamos anteriormente que uma questão importante dos genomas procarióticos se refere à organização
do cromossomo em unidades de replicação, bem diferente do que veremos em eucariotos. Essas unidades de
replicação, que também podemos chamar de replicons, são os segmentos cromossômicos que replicam a
partir de uma origem de replicação.
Em bactérias, cada cromossomo possui apenas uma origem de replicação. Em arqueas, podemos encontrar
até três origens de replicação para um cromossomo. A diferença, em eucariotos, é que cada cromossomo está
organizado em centenas ou milhares de replicons.
Organização em replicons de cromossomos de bactérias, arqueas e eucariotos. (A) Cromossomos bacterianos apresentam uma única origem de
replicação (replicon), em vermelho. (B) Cromossomos de arqueas podem ter uma, duas ou três origens de replicação. (C) Cromossomos
eucarióticos estão organizados em centenas ou milhares de replicons.
Os genomas procarióticos apresentam uma elevada densidade gênica se comparados aos genomas
eucarióticos, como veremos adiante. Esse fato se deve a aspectos como o tamanho relativamente reduzido
dos genomas, extensão das regiões codificadoras e reguladoras e o número de genes por genoma. Além disso,
uma coisa que também temos que levar em consideração é que, em genomas procarióticos, a extensão das
regiões intergênicas, não codificadoras, é bem mais curta que a dos genes. Esse é mais um fato que reforça o
conceito do alto grau de compactação da informação em genomas procarióticos. Não se preocupe, pois
vamos discutir com mais detalhes a densidade gênica mais para frente.
Unidades organizacionais dos genomas procarióticos
Como você deve ter reparado, os genes são apenas alguns dos componentes presentes em um genoma. Em
procariotos, outras unidades organizacionais de sequências nucleotídicas podem ser identificadas. Apesar de
variarem em complexidade, cada uma delas apresenta importância funcional e/ou evolutiva. A partir de agora,
vamos discutir brevemente sobre as características essenciais de cada uma dessas unidades organizacionais.
Os motivossão sequências curtas, de duas ou dezenas de pares de base (pb), que podem ser encontradas
agrupadas em uma parte do genoma ou dispersas. As sequências motivo podem auxiliar no processo de
recombinação genética e em processos de translocação gênica.
As sequências repetidas são sequências de nucleotídeos, geralmente curtas (<10 pb), que podem ser
encontradas espalhadas pelo genoma ou agrupadas uma ao lado da outra. Embora possam representar uma
porção significativa do genoma procariótico, as sequências repetidas são sempre menos abundantes que as
sequências únicas. Em organismos eucarióticos, por outro lado, as sequências de repetição são encontradas
ao longo de todo genoma, podendo chegar a mais de 50% de frequência. Nos genomas procarióticos, a família
mais representada do ponto de vista do número de unidades de repetição é a dos elementos REP. Elementos
REP são sequências palindrômicas, ou seja, sequências de simetria dupla, idênticas quando lidas no sentido
5’-3’ ou 3’-5’ e, evolutivamente, sua presença pode ser explicada pelos processos de integração e excisão de
pedaços do genoma bacteriano.
Saiba mais
Com base nas sequências de repetição, foi desenvolvida a técnica de CRISPR para edição de genomas. A
partir dessa técnica, foi possível editar genomas bacterianos e, mais recentemente, genomas eucariotos. Por
exemplo, pode-se inativar ou regular a expressão de genes, inserir sequências para expressão de proteínas,
além de outras funções. A técnica de CRISPR revolucionou a engenharia genética e trouxe significativos
avanços para a biologia molecular. Atualmente, existem estudos que utilizam CRISPR para tentar retirar o
genoma do HIV de células infectadas, possibilitando o tratamento por terapia gênica.
As ilhas genômicas são segmentos de genomas procarióticos que apresentam diferenças no conteúdo
Guanina + Citosina (G+C). Variam de 10 a >200Kb e contêm genes não essenciais, mas que podem conferir
alguma vantagem adaptativa ao organismo. Um excelente exemplo é o das ilhas de patogenicidade,
encontradas nos genomas de bactérias patogênicas como Helicobacter pylori e Vibrio cholerae. Essas ilhas
são compostas por genes cujos produtos estão relacionados à maior infecção, como toxinas e proteínas
imunomoduladoras.
Transposons e Integrons
Os transposons ou elementos transponíveis são sequências de DNA móveis que possuem a capacidade de se
integrarem em regiões do genoma e, por esse motivo, também são conhecidos como “genes saltadores”.
Os transposons podem se inserir em regiões codificantes ou reguladoras, podendo levar à perda de função ou
a geração de mutação. Os transposons procarióticosapresentam características específicas, como a presença
de um gene codificador da enzima transposase e a duplicação da região da sequência alvo receptora. A
transposase se liga às extremidades do transposon e corta as duas fitas do DNA, podendo inseri-la em outra
região do genoma.
Em procariotos, existem três tipos de transposons:
Elementos IS (elementos de inserção, do inglês Insertion Sequences)
Apresentam repetições invertidas, sempre adjacentes à sequência que codifica a transposase.
Transposons compostos (Tn)
S d d i l t IS i ó i t E l d
Já os integrons são sistemas de expressão gênica que incorporam sequências abertas de leitura (ORF)
exógenas por meio de recombinação específica do local e as convertem em genes funcionais, garantindo sua
expressão. Os integrons foram originalmente descobertos como um mecanismo usado por bactérias Gram-
negativas para adquirir genes de resistência a antibióticos e expressar múltiplos fenótipos de resistência. Mais
recentemente, seu papel foi ampliado com a descoberta de estruturas cromossômicas de integron nos
genomas de diversas espécies bacterianas.
equências abertas de leitura
Uma fase de leitura aberta, ou ORF, denomina cada uma das sequências de nucleotídeo compreendidas entre o
início da tradução do RNA mensageiro em uma cadeia polipeptídica e a terminação da tradução, descontando os
íntrons.
Operons
Os operons são unidades funcionais gênicas muito importantes na biologia molecular de procariotos. Um
operon é constituído de uma sequência gênica codificadora flanqueada por duas sequências reguladoras, uma
do início da transcrição e uma do término da transcrição.
Comentário
É comum que os genes que são regulados possuam produtos gênicos associados a mesma função, como por
exemplo, proteínas e enzimas que participam da mesma via metabólica. O RNA gerado a partir da transcrição
do gene do óperon é frequentemente policistrônico, ou seja, possui a informação para a produção de mais de
um produto gênico.
Surgem quando dois elementos IS se inserem próximos um ao outro. Em alguns casos, podem
conter genes de resistência a antibióticos, conferindo vantagem seletiva à bactéria. Os Tn
podem ser inseridos no DNA plasmidial ou mesmo no cromossoma bacteriano.
Elementos TnA
Contêm os genes da transpososa (tnpA), resolvase (TnpR) e da β-galactamase (bla, confere
resistência a ampicilina).
Um único mRNA policistrônico dará origem a duas ou até mais proteínas durante a fase de tradução. A
organização em operons proporciona uma economia de espaço no DNA, o que é extremamente importante
para os genomas relativamente pequenos e compactos de procariotos.
Observe, na imagem, que, de um mesmo mRNA, são produzidas três proteínas diferentes.
Estrutura de um operon e do mRNA policistrônico.
Um dos exemplos mais comuns para se explicar o funcionamento de um operon é o operon lac.
Bactérias da espécie E. coli podem utilizar a lactose como fonte de energia quando não há glicose disponível.
Para isso, precisam expressar o operon lac, que codifica as enzimas necessárias para a absorção e
metabolismo da lactose. Dessa forma, a expressão do operon lac está condicionada à ausência da glicose e
disponibilidade de lactose no meio.
Para detectar os níveis de glicose e lactose, duas proteínas reguladoras estão envolvidas no processo:
Repressor lac
Atua como um sensor de lactose.
Proteína ativadora de catabólito (CAP)
Atua como sensor de glicose.
Essas duas proteínas se ligam ao DNA do operon e regulam a transcrição com base nos níveis dessas
moléculas.
Mas como é formado o operon lac?
O operon lac contém três genes (lacZ, lacY e lacA), que são transcritos como um único mRNA policistrônico e
codificam proteínas que auxiliam a célula a utilizar a lactose. Além desses genes, o operon lac possui
sequências reguladoras, nas quais proteínas reguladoras (repressor lac e CAP) se ligam e controlam a
transcrição do operon.
Estrutura do operon lac.
São elas:
O promotor, que é o sítio de ligação da RNA polimerase, a enzima que realiza a transcrição.
O operador, que é o sítio de regulação negativa ao qual se liga a proteína repressora lac. O operador se
sobrepõe ao promotor, e quando o repressor lac está ligado, a RNA polimerase não consegue se ligar ao
promotor e dar início à transcrição.
O sítio de ligação da CAP, que é o sítio de regulação positiva no qual se liga a CAP. Quando a CAP está
ligada a esse sítio, ela favorece a transcrição ajudando a RNA polimerase a se ligar ao promotor.
Atenção!
Todas essas estruturas (o promotor, o operador e o sítio de ligação da CAP) pertencem à região reguladora do
gene localizada na extremidade 5’.
E como o operon funciona, na prática?
Quando a lactose não está disponível, o repressor lac se liga firmemente ao operador, evitando a transcrição
pela RNA polimerase. Porém, quando a lactose está presente, o repressor lac perde a capacidade de ligação ao
DNA, desliga-se do operador e abre o caminho para a RNA polimerase fazer a transcrição do operon.
Quando a lactose está disponível, há a ligação de uma molécula de alolactose no repressor lac, que perde a
capacidade de ligar-se ao operador. Dessa forma, a RNA polimerase consegue se ligar ao promotor e
transcrever o operon lac.
Estrutura do repressor lac na ausência e presença de lactose.
Mas... e a glicose?
A RNA polimerase sozinha não se liga muito bem ao promotor do operon lac, a menos que tenha auxílio da
CAP, que se liga à região do DNA localizada antes do promotor do operon lac e auxilia na ligação da RNA
polimerase, resultando em altos níveis de transcrição.
Porém, a CAP nem sempre é capaz de se ligar ao DNA. Ela é regulada por uma molécula chamada AMP cíclico,
que é produzida pela E. coli quando os níveis de glicose estão baixos. Com a baixa de glicose, há o aumento do
AMP cíclico e ativação da CAP, que nessa situação consegue se ligar ao DNA.
Como você deve ter reparado, o operon lac apresenta intensa regulação e só é transcrito em altos níveis
quando a glicose está ausente no meio. Essa regulação permite que o operon lac somente seja ativado e a
bactéria comece a metabolizar a lactose quando toda a fonte de energia preferencial – a glicose – estiver
esgotada.
Resultado de baixa ou alta glicose para a molécula AMP cíclico.
Unidades organizacionais dos genomas procarióticos

Neste vídeo, o especialista apresenta as características essenciais de cada unidade organizacional do genoma
procariótico e explica as sequências repetidas, as ilhas genômicas, os transposons, integrons e operons.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Apesar das diferenças ecológicas, genéticas e fisiológicas, os genes e genomas dos procariotos –
bactérias e arqueas – possuem alguns aspectos semelhantes. Sobre os seus conhecimentos nesse
assunto, marque a alternativa que traz uma característica dos genomas procarióticos.
A
A maioria das espécies bacterianas apresenta um cromossomo linear, enquanto as
espécies de arqueas, por serem ancestrais, apresentam um único cromossomo circular.
B
Normalmente, o tamanho do genoma de qualquer espécie procariótica não costuma variar
ao longo da evolução.
C
Uma característica típica dos genes procarióticos é a existência de colinearidade entre um
gene e seu produto.
Parabéns! A alternativa C está correta.
A maioria das bactérias contém apenas um cromossomo circular de DNA dupla fita, porém existem
exceções, que podem apresentar cromossomos lineares. Em bactérias, cada cromossomo possui uma
unidade de replicação (replicon), mas arqueas podem apresentar até três replicons para o cromossomo.
Moléculas menores de DNA, que não contém genes essenciais, mas conferem vantagem seletiva, pode
ser chamadas de plasmídeos. Por conta de processos de ganho ou perda de sequências, o tamanho do
genoma dos procariotos pode variar com facilidade ao longo da evolução. Um aspecto básico dos
genomas procarióticos é a colinearidade entre os genes e seus produtos. Ouseja, há exata
correspondência entre a sequência nucleotídica do DNA e a sequência de RNA ou de aminoácidos da
proteína.
Questão 2
Em um cenário onde não há presença de a glicose, as bactérias da espécie E. coli tem a capacidade de
utilizar a lactose como fonte de energia. O operon lac é necessário para codificar as enzimas
fundamentais para a absorção e metabolismo da lactose. Na regulação do operon lac, se a lactose estiver
presente no meio, ocorre:
D
Para garantir o aproveitamento dos genes, bactérias e arqueas possuem um único
cromossomo, com vários replicons.
E
Procariotos podem apresentar plasmídeos, que são elementos genéticos móveis contendo
genes essenciais para a sobrevivência celular.
A
A ligação da lactose ao repressor lac, alterando sua conformação para que possa se ligar
ao operador e os genes não são expressos.
B
A ligação da lactose à RNA polimerase, que liga-se ao promotor e transcreve os genes
necessários.
Parabéns! A alternativa D está correta.
Duas situações precisam ser levadas em consideração tratando-se da expressão do operon lac. A primeira
é a ausência ou presença de glicose, e a segunda, a disponibilidade de lactose no meio. Quando existe a
presença de lactose, há a ligação de uma molécula de alolactose no repressor lac, que perde a capacidade
de ligar-se ao operador. Dessa forma, a RNA polimerase consegue se ligar ao promotor e transcrever o
operon. Por outro lado, quando a lactose não está disponível, o repressor lac se liga firmemente ao
operador, evitando a transcrição pela RNA polimerase.
2 - Gene eucariótico e suas funções
C
A ligação do AMPc na CAP, que liga-se ao promotor e atrai a RNA polimerase para se ligar
no lacZ.
D
A ligação da lactose ao repressor, impedindo a ligação ao operador e os genes são
transcritos.
E A ligação da CAP à RNA polimerase, que se liga ao operador e inicia a transcrição do lacA.
Ao �nal deste módulo, você será capaz de identi�car os elementos de um gene eucariótico e
suas respectivas funções.
A origem híbrida dos genomas eucarióticos
Você já sabe que as células eucarióticas, em geral, são maiores e mais complexas que as células procarióticas,
certo? Para se ter uma ideia, as células eucarióticas podem apresentar um volume cerca de mil vezes maior
que o de células procarióticas! Além da morfologia, o genoma das células eucarióticas também apresenta
tamanho e complexidade maiores que o das células procarióticas.
A característica mais marcante e diferencial das células eucarióticas é a presença do
núcleo, que é um compartimento interno que abriga a maior parte do DNA celular,
chamada de genoma nuclear, e o mantém separado do citoplasma.
Além disso, as células eucarióticas apresentam outras organelas além do núcleo, como os retículos
endoplasmáticos liso e rugoso, os ribossomos, o complexo de Golgi e as mitocôndrias. Muitas células
eucarióticas, especialmente as de plantas e algas, possuem outro tipo de organela parecido com as
mitocôndrias – os cloroplastos, que realizam a fotossíntese. Veremos mais adiante que as mitocôndrias e os
cloroplastos possuem pequenos genomas especializados, que codificam as funções específicas dessas
estruturas.
Esquema simplificado da célula eucariótica animal.
As mitocôndrias possuem tamanho similar ao de pequenas bactérias, e, assim como essas bactérias,
possuem seu próprio genoma na forma de DNA circular. As análises genômicas sugerem que as mitocôndrias
foram bactérias de vida livre metabolizadoras de oxigênio que foram engolfadas por uma célula predadora
ancestral, incapaz de fazer uso do oxigênio, há aproximadamente 1,5 bilhão de anos.
De forma semelhante, sugere-se que os cloroplastos se originaram de uma relação evolutiva simbiótica entre
bactérias fotossintetizantes e células eucarióticas que já possuíam mitocôndrias.
A partir dessas informações, é fácil entender por que a informação genética das células eucarióticas tem
origem híbrida. Quando o DNA mitocondrial e do cloroplasto são analisados separadamente do genoma
nuclear, percebe-se que eles são versões curtas de genomas bacterianos.
Ilustração da levedura S. cerevisiae, primeiro organismo eucariótico a ter o genoma inteiramente sequenciado.
O primeiro genoma eucariótico a ser completamente sequenciado foi o da levedura Saccharomyces cerevisiae,
publicado no final da década de 1990. Uma das primeiras versões das sequências do genoma humano foi
publicada no começo dos anos 2000, com o Projeto Genoma Humano.
A quantidade disponível de sequências completas de genomas eucarióticos pode ser considerada pequena, se
compararmos com as disponibilizadas de procariotos e levarmos em consideração a enorme diversidade do
domínio Eukarya. Realmente, a realização de estudos genômicos de grande porte ainda apresentam
dificuldade, devido justamente ao grande tamanho e complexidade dos genomas eucarióticos.
Estrutura básica dos genes eucarióticos
Os genes procarióticos e eucarióticos possuem a mesma estrutura básica, associada à região codificadora e a
regiões reguladoras. Porém, em eucariotos, essas regiões apresentam maior complexidade, que por sua vez
determina maiores refinamentos funcionais. Além disso, as regiões reguladoras geralmente são mais extensas
e também apresentam um número maior de elementos reguladores. Observe, na imagem a seguir, que a
complexidade de um gene eucariótico é maior que a do gene procariótico.
lementos reguladores
São sequências nucleotídicas reconhecidas por proteínas reguladoras específicas.
Esquema simplificado de um gene eucariótico.
No gene eucariótico, os elementos reguladores distais podem ser encontrados a milhares de pares de base,
tanto a montante como a jusante, da sua região codificadora. Já nos genes procarióticos, os elementos
reguladores distais estão geralmente situados a algumas centenas de pares de base a montante da região
codificadora.
Um outro aspecto importante de genes eucarióticos é a presença de íntrons. Íntrons são sequências que
interrompem a região do gene que é transcrita, dividindo-a em vários pedaços, chamados de éxons. As
sequências que correspondem aos íntrons estão presentes no DNA genômico, mas são removidas durante o
processamento do RNA maduro.
ontante e a jusante
São termos utilizados na biologia molecular que se referem a posições de sequências nos ácidos nucleicos,
levando em consideração a direção de 5' para 3' na qual a transcrição de RNA ocorre. A montante é a região
voltada para a extremidade 5' da molécula do ácido nucleico e a jusante voltada para a extremidade 3'.
Esquema da estrutura de um gene eucariótico que codifica uma proteína.
A presença de genes interrompidos é bastante rara em procariotos, porém é comum em eucariotos. Em
mamíferos, por exemplo, cerca de 94% dos genes apresentam íntrons.
Saiba mais
Além da presença de íntrons ser uma constante em genes eucarióticos, há uma tendência geral de aumento no
número de íntrons por gene e no tamanho do íntron, à medida que avançamos na escala evolutiva dos
eucariotos.
Organismos de uma mesma classe, como a dos anfíbios, podem apresentar variações de mais de 100 vezes
no tamanho dos seus genomas. Por outro lado, espécies de grupos com diferenças fisiológicas e anatômicas
muito distintas, como insetos e mamíferos, por exemplo, podem apresentar genomas de tamanhos similares.
Esse fenômeno da frequente falta de associação entre a complexidade biológica do organismo e o tamanho do
seu genoma é conhecido como paradoxo do valor C. Podemos entendê-lo se pensarmos na grande quantidade
de sequências não associadas a genes nos genomas de muitas espécies de eucariotos – ou seja, o tamanho
do genoma não reflete diretamente o número de genes.
Cromossomos eucarióticos
O DNA nuclear dos eucariotos organiza-se em cromossomos, cada um composto por uma única molécula de
DNA linear. Essa configuração difere dos procariotos, que apresentam cromossomos circulares.
A maioria dos eucariotos possui dois conjuntos completos de cromossomos em cada célula somática(diploide), mas existem espécies com 3 ou mais cópias de cada cromossomo em cada célula (poliploide) e,
ainda, aquelas que apresentam um único conjunto de cromossomos por célula (haploides). O número e o
tamanho dos cromossomos apresentam grande variedade, dependendo da espécie.
O cariótipo (conjunto de cromossomos) humanos.
Em alguns microrganismos eucarióticos, podemos encontrar também os plasmídeos nucleares, que
apresentam replicação autônoma e múltiplas cópias. Assim como os plasmídeos de procariotos, são
circulares.
Composição das sequências gênicas de eucariotos
Sequências gênicas
A fração do genoma de eucariotos ocupada pelos genes varia bastante: 25% nos humanos até mais de 80% em
uma espécie de microsporídio. Considerando apenas os éxons, essa fração (que já é reduzida) cai para 1% - é
chamada fração codificadora do genoma.
Definir o número total de genes presentes em uma espécie de eucarioto é uma tarefa complexa, pois além de
serem grandes, os genes apresentam grande variação em tamanho e estrutura. Por isso, as estimativas gerais
têm se limitado à quantificação dos genes codificadores de proteínas.
Outro conceito importante que já comentamos e que precisamos discutir com mais detalhes agora é a
densidade gênica.
A densidade gênica é a distância média entre genes individuais ao longo do genoma.
Como você deve estar imaginando, essa densidade depende da proporção de
sequências intergênicas no genoma.
Dessa forma, ela geralmente é inversamente proporcional ao número de genes. Lembra que os genomas
procarióticos apresentam uma alta densidade gênica? Como normalmente os eucariotos mais complexos
tendem a apresentar um maior número de genes e maior proporção de sequências intergênicas que os
procariotos, a densidade gênica é menor.
Observe a imagem a seguir. As regiões intergênicas estão representadas em branco, enquanto as regiões
codificadoras, em azul.
Tamanho aproximado e espaçamento dos genes em diferentes organismos.
Em Encephalitozoon cuniculi, uma espécie de microsporídeo, o genoma é de 2,9 megabases e a distância entre
os genes é de apenas 100 a 200pb – a densidade gênica é de 1 gene por Kb. Já em S. cerevisiae, que possui
um genoma quatro vezes maior e o triplo de genes, a densidade é de 1 gene a cada 2Kb.
Ao longo da evolução, ocorreram muitos eventos de duplicação gênica que determinaram que muitos genes
formassem famílias gênicas ou famílias de parálogos. Esses genes apresentam alta similaridade em suas
sequências nucleotídicas, que varia de 30% até quase 100% ao longo de todo o gene ou, pelo menos, em um ou
mais de seus éxons.
Dentro do conjunto de genes organizados em famílias, existem genes idênticos, presentes em múltiplas
cópias.
egabases
É a unidade de medida usada para ajudar a designar o comprimento do DNA. Uma megabase é igual a 1 milhão de
bases.
Exemplo
Genes codificadores de rRNAs, tRNAs e das histonas são exemplos de famílias de genes com cópias
múltiplas.
Você pode estar se perguntando se essa multiplicidade de cópias não seria uma redundância desnecessária,
mas, na verdade, elas são uma estratégia para responder à alta demanda das células eucarióticas pelos
produtos desses genes.
A origem de famílias gênicas por duplicação e pela ocorrência de mutações também resulta na formação de
genes não funcionais, conhecidos por pseudogenes.
Por outro lado, existem aqueles genes que não fazem parte de nenhuma família e são chamados de genes
únicos. A proporção desses genes, assim como aqueles organizados em famílias, varia de espécie para
espécie.
Proporção de genes únicos, genes em famílias e pseudogenes no genoma humano.
Sequências intergênicas
Chamamos de sequências intergênicas aquelas sequências genômicas que não estão associadas diretamente
a um gene. Essa definição torna-se complexa nos genomas de eucariotos, já que os limites físicos dos genes
nem sempre são claros e a quantidade de íntrons é extensa.
Veremos mais adiante que um aspecto adicional de complexidade é a existência das regiões reguladoras dos
genes.
Dessa forma, para simplificar, sequências intergênicas são aquelas que não fazem parte de éxons ou íntrons
de genes funcionais com uma estrutura típica, que vimos anteriormente.
É importante que você saiba que grande parte da maioria dos genomas eucarióticos é formada por sequências
intergênicas. Mas fica a pergunta:
Já que não está associado a um gene, esse DNA intergênico não seria um lixo genômico?
Pois é, os primeiros estudos sobre esse tema realmente indicavam que essas sequências poderiam ser
consideradas inúteis. Porém, com o avanço das pesquisas, hoje já é aceito que essa fração do genoma
eucariótico possui diversos elementos importantes para a fisiologia e evolução do próprio genoma.
A seguir, vamos discutir brevemente as duas classes mais estudadas de sequências intergênicas eucarióticas:

Sequências repetidas simples

Elementos transponíveis
As sequências repetidas simples são sequências intergênicas curtas que podem estar repetidas cerca de
milhares a milhões de vezes nos genomas de espécies eucarióticas mais complexas. Comumente, essas
unidades de repetição possuem extensão de 5 a 10pb, e, em sua maioria, estão organizadas lado a lado, no
que chamamos de arranjos em tandem, que podem chegar a centenas de quilobases de extensão.
Geralmente, os arranjos em tandem de sequências repetidas simples apresentam um conteúdo G + C diferente
do restante do genoma (semelhante ao que estudamos em ilhas genômicas).
A partir de experimentos de isolamento de DNA genômico por densidade, essas sequências apareciam
separadas do componente principal, que correspondia à fração gênica. Por esse motivo, as sequências
repetidas simples também podem ser chamadas de DNA-satélite. Repetições menores, de 2 ou 3pb, são
chamadas de microssatélites e podem ocorrer, inclusive, dentro de éxons e íntrons.
A presença dessas sequências repetidas nos genomas eucarióticos ao longo dos anos sugere que, durante a
evolução, as pressões seletivas foram favoráveis à sua manutenção. Atualmente, sugere-se que essas
sequências estejam envolvidas na estruturação e no funcionamento dos cromossomos, por exemplo.
Saiba mais
Variações ocorridas em microssatélites são capazes de determinar alterações no nível de expressão ou no
produto de genes, resultando na mudança de fenótipo. Diversas doenças humanas, por exemplo, são causadas
por variações no número de repetições em microssatélites associadas a determinados genes.
Já os elementos transponíveis são sequências de DNA capazes de se integrarem por transposição em outros
lócus genômicos. Como já comentamos, a capacidade de um elemento transponível de deslocar
autonomamente depende da existência, em suas sequências, da codificação para um polipeptídeo com função
de transposase, necessário para sua excisão e reinserção.
Os elementos transponíveis dividem-se em dois tipos principais – o dos transposons de DNA e o dos
retrotransposons. Na maioria das espécies, os elementos transponíveis constituem a maior parte das
sequências intergênicas e, em alguns casos, do próprio genoma.
Composição de sequências gênicas e intergênicas do genoma humano.
Os transposons de DNA são mobilizados por meio de intermediários de DNA e representam uma parte menor
dos elementos transponíveis eucarióticos. Exemplos são o elemento P de Drosophila e os elementos Ac e Ds
do milho.
Já os retrotransposons constituem a maioria dos elementos móveis de eucariotos e sua mobilização envolve a
transcrição reversa de um intermediário de RNA. São divididos em retrotransposons contendo longas
repetições terminais (LTR), correspondendo aos retrotransposons virais (semelhantes a retrovírus), e em
retrotransposons sem LTR, que abrange os retrotransposons não virais.
Esquema comparativo entre o mecanismo de transposição dos transposons de DNA e dos retrotransposons.
Atualmente, estima-se que 50 a 100 genes humanos que codificam proteínas evoluíram a partir de sequências
de transposonsou retrotransposons. Realmente, esses elementos podem alterar os padrões de expressão de
alguns genes ou até originar novos genes.
É importante comentarmos que elementos transponíveis ativos atuam como agentes mutagênicos, uma vez
que podem se inserir em regiões promotoras e alterar o controle da expressão gênica. Por outro lado, também
podem atuar na estruturação do cromossomo e na fisiologia da cromatina, que estudaremos em seguida.
Composição das sequências gênicas de eucariotos
Neste vídeo, o especialista apresenta a composição das sequências gênicas de eucariotos e explica as
diferenças das sequências gênicas e intergênicas.

Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
É comum que células eucarióticas sejam maiores e mais complexas quando comparadas com células
procarióticas. Além do aspecto morfológico, o genoma das primeiras também tem tamanho e
complexidade maiores que as segundas. Analise as afirmativas, levando em consideração a organização e
estrutura dos genes eucarióticos.
I – Sequências de íntrons estão presentes no DNA genômico eucariótico, mas são removidas durante o
processamento do RNA maduro.
II – Comparando diferentes grupos de eucariotos, percebe-se uma frequente falta de associação entre a
complexidade biológica do organismo e o tamanho do seu genoma.
III – As regiões reguladoras dos genes eucarióticos geralmente apresentam um número menor de
elementos reguladores que os genomas procarióticos.
IV – Analisando o DNA de ribossomos e lisossomos, sugere-se que o genoma eucariótico possui origem
híbrida.
É correto o que se afirma nas afirmativas:
A I e III.
B I e II.
C II e IV.
D I e IV.
Parabéns! A alternativa B está correta.
Nos genes eucarióticos, existem unidades chamadas íntrons, que representam sequências que
interrompem a região do gene que é transcrita. Durante o processamento do RNA maduro, essas
sequências (que são os íntrons) presentes no DNA genômico são removidas. A falta de associação entre a
complexidade biológica do organismo e o tamanho do seu genoma representa o fenômeno chamado
“paradoxo do valor C”. Neste cenário, existe uma grande quantidade de sequências que não se associam a
genes nos genomas de muitas espécies de eucariontes.
Questão 2
Os elementos transponíveis são sequências de DNA capazes de se integrarem por transposição em outros
lócus genômicos. Os ________________ constituem a maioria dos elementos móveis de eucariotos e sua
mobilização envolve a transcrição reversa de um intermediário de RNA. Já os ______________ são
mobilizados por meio de intermediários de DNA e representam uma parte menor dos elementos
transponíveis eucarióticos.
Qual das alternativas apresenta a sequência adequada de denominações que preenche a sentença?
E II e III.
A retrotransposons - transposons
B microssatélites - transposons
C transposons - retrotransposons
D retrotransposons – íntrons
E plasmídeos - éxons
Parabéns! A alternativa A está correta.
Os retrotransposons constituem a maioria dos elementos que tem mobilidade dos eucariotos. Para que
sua mobilização aconteça, é necessário que aconteça uma transcrição reversa de um intermediário de
RNA. Por outro lado, os transposons constituem a menor parte dos elementos transponíveis dos eucaritos,
e para que sua mobilização aconteça, são necessários intermediários de DNA.
3 - Sequências reguladoras e estrutura da cromatina
Ao �nal deste módulo, você será capaz de identi�car as principais sequências reguladoras do
genoma de procariotos e eucariotos e a estrutura da cromatina eucariótica.
Sequências reguladoras em procariotos e eucariotos
Você já sabe que tanto os procariotos quanto eucariotos apresentam a mesma estrutura gênica básica,
formada pela região codificadora e pelas regiões reguladoras, que controlam a expressão dos genes. Porém,
nos eucariotos, essas sequências reguladoras possuem estruturas mais complexas que as dos procariotos.
Como já discutimos, a expressão de um gene inclui a sua transcrição em RNA e a tradução (caso seja um RNA
mensageiro) em uma proteína. Em genes que codificam rRNAs e tRNAs, a etapa de tradução não ocorre.
A síntese de RNA inicia-se alguns pares de bases antes da região codificadora e termina alguns pares de base
após essa região. As regiões 5’ e 3’ não codificadoras do DNA e RNA são denominadas regiões 5’ ou 3’ não
traduzidas (UTR). Na região 5’-UTR do RNA mensageiro, por exemplo, existem sequências importantes para o
início da etapa de tradução da cadeia polipeptídica.
A transcrição é um processo cíclico de síntese de RNA, dividido em 3 fases:
Na etapa inicial da transcrição, sequências específicas determinam o local de formação do complexo de
transcrição – os promotores. Ou seja, o promotor é o sítio no DNA no qual a RNA polimerase se liga. O primeiro
nucleotídeo da sequência promotora é denominado sítio de início da transcrição. Como você deve imaginar,
existem importantes diferenças entre os promotores de procariotos e eucariotos.
Como vimos, em um gene procariótico típico, as sequências reguladoras da transcrição encontram-se ao lado
da região codificadora. Entre essas sequências, as mais importantes são o promotor e o terminador,
sequência nucleotídica que indica o término na transcrição e dissociação da RNA polimerase. O promotor
situa-se na região 5’, a montante da região codificadora e o terminador situa-se na região 3’, a jusante da região
codificadora. Para relembrarmos esses conceitos, vamos olhar novamente a imagem a seguir:
Início
É a fase onde as sequências nucleotídicas específicas no DNA sinalizam o local de início de
transcrição.
Alongamento
Acontece o alogamento da molécula, na qual a fita de RNA é formada.
Terminação
Etapa na qual há sinais específicos de elementos terminadores para a finalização da síntese de
RNA.
Esquema simplificado da estrutura básica de um gene procariótico, mostrando o promotor e o terminador.
Além dessas sequências, podemos encontrar também outros elementos reguladores, como sítios de ligação
de proteínas ativadoras ou repressoras da transcrição. Você se lembra do funcionamento do operon lac?
Após diversas análises moleculares, pesquisadores chegaram à conclusão que existem algumas regras para
os promotores de bactérias. Uma delas, muito importante, é que existem duas sequências conservadas na
maioria dos genes procarióticos: uma na região -10 e a outra na região -35. A região -10 recebe uma
denominação especial – TATA box, devido à presença de timina e adenina.
(A) Nomenclatura e convenções utilizadas na transcrição. O nucleotídeo na posição +1 representa o sítio de início da transcrição. (B) Elementos que
compõem um promotor genérico de E. coli. Observe a região -10, chamada de TATA box.
É importante que você saiba que a atividade dos promotores, de ser o sítio para sinalização do início da
transcrição, pode ser modificada por proteínas ativadoras ou proteínas repressoras, que se ligam a sequências
regulatórias próximas à região promotora. Um exemplo dessas sequências é a sequência de ativação a
montante (do inglês upstream activating sequence, UAS), que induz a expressão de um gene por meio do
aumento da atividade transcricional. A sequência UAS serve de âncora para proteínas mediadoras que
disparam uma cascata de ativação por meio do recrutamente de fatores de transcrição adicionais. Todo este
processo resulta no recrutamento da RNA polimerase para a formação do complexo de transcrição.
Comentário
O processo de controle da expressão gênica mais comum em células procarióticas ocorre no início da
transcrição. Um bom exemplo é quando um gene e/ou uma proteína precisam ser expressos em maiores
quantidades, pois são necessários em uma determinada situação celular. Com essa regulação, a célula evita
gastos energéticos desnecessários.
Assim, nos genes procarióticos, o complexo da RNA polimerase liga-se às sequências promotoras para iniciar
a transcrição. Já nos eucariotos, o promotor é primeiroreconhecido por fatores de transcrição, que
posteriormente conduzem a RNA polimerase para iniciar a transcrição. Normalmente, nos promotores
eucarióticos, encontramos uma sequência denominada promotor principal, que é capaz de manter a
transcrição em um nível basal.
Além do promotor principal, existem ainda outras regiões regulatórias. Elas podem se localizar próximas aos
promotores (50 a poucas centenas de pares de base), a montante do sítio de início da transcrição – os
promotores proximais – ou a milhares de pares de bases a jusante ou a montante do sítio de início da
transcrição – os promotores distais ou enhancers (reforçadores). Os enhancers são sequências de DNA que
aumentam a afinidade do complexo de transcrição por um certo promotor. Alguns deles atuam somente em
algumas células, o que provavelmente é regulado pela ligação de proteínas específicas a eles.
Atenção!
A célula, tanto a procariótica quanto a eucariótica, é capaz de bloquear ou ativar a expressão de diferentes
genes, dependendo dos estímulos externos ou internos que recebe.
Os mecanismos complexos que controlam a transcrição, o início e término da tradução e a estabilidade do
mRNA e da proteína, são conhecidos como regulação da expressão gênica. Você estudará com detalhes esse
assunto em outro momento.
Estrutura da cromatina de eucariotos
Você sabia que a extensão das moléculas de ácido nucleico (DNA e RNA) que constituem o genoma, é muito
maior que o espaço que é destinado a elas? Nas nossas células, por exemplo, o DNA de 1,8 metros de
extensão total está contido em um núcleo esférico de 6 µm (micrômetros) de diâmetro!
Mas como isso é possível?
De fato, no estudo da organização do material genético de qualquer forma de vida, um princípio é fundamental:
as moléculas de DNA e RNA devem ser compactadas para que possam ser acomodadas. Essa compactação
se dá pela interação de proteínas específicas com as moléculas de ácido nucleico e deve acontecer de forma
organizada, de modo a permitir que os vários processos funcionais, como a replicação de cromossomos e a
expressão gênica, ocorram.
Formas de compactação do DNA, em uma célula eucariótica.
Em procariotos e eucariotos, o DNA genômico é compactado em um arranjo complexo, cujo grau de
compactação varia de acordo com o estado funcional do DNA. Chamamos essa estrutura nucleoproteica
organizada e dinâmica de cromatina.
A partir de agora, nós vamos discutir sobre a estrutura e organização típica da cromatina de eucariotos,
descrevendo seus componentes e seus graus de compactação. Em um encontro por vídeo, conversaremos um
pouco sobre a cromatina de procariotos, que também apresenta grande importância.
A cromatina eucariótica é formada por várias moléculas de DNA linear (uma por cromossomo) associada a
proteínas. Observe o quadro a seguir, no qual estão listadas as principais proteínas associadas.
Proteínaa Massa molecular Estado oligomérico funcional Sítios de ligação no DN
Histonas centrais
(H2A, H2B, H3 e H4)
11-14 kDa Homodímero (parte do
nucleossomo)
Preferencialmente regi
dinucleotídeos TA repe
Proteínaa Massa molecular Estado oligomérico funcional Sítios de ligação no DN10 pb e intercalados co
dinucleotídeos GC (com
distância entre cada TA
Histonas de ligação
(H1 e H5)
~21 kDa Homodímero Sequências ricas em A
Proteínas HMG 11-38 kDa
Homodímero ou
heterodímero
Trechos ricos em AT
Proteínas SMC ~140 kDa
Heterodímero (p. ex. SMC2-
SMC4, parte da condensina)
Sequências ricas em A
formar
Tabela: Proteínas associadas ao DNA na cromatina eucariótica e suas propriedades.
ZAHA, A; FERREIRA, HB; PASSAGLIA, LMP., 2014, p. 47.
Podemos ver que as histonas são as proteínas principais da cromatina em quase todos os eucariotos, cuja
massa é similar à do DNA total da cromatina. As histonas canônicas são as formas de histonas envolvidas na
compactação geral da cromatina e são divididas em:
Formam o complexo proteico central dos nucleossomos e possuem cerca de 100 aminoácidos de
extensão. São caracterizadas por um domínio formado por 3 alfa-hélices separadas por alças curtas,
denominado enovelamento de histonas (histone fold, no inglês).
Associam-se externamente aos nucleossomos e participam das interações entre eles. Possuem entre
190 a 250 aminoácidos de extensão e apresentam 3 domínios, sendo o domínio globular central
essencial para a ligação da histona ao nucleossomo.
As histonas canônicas apresentam caráter básico acentuado, pois contêm alta proporção de aminoácidos
positivos, a lisina e a arginina. Por esse motivo, a interação com o DNA de fita dupla, que é carregado
negativamente, é favorecida. Além disso, essas histonas podem ser encontradas em praticamente todos os
Histonas centrais (H2A, H2B, H3 e H4) 
Histonas de ligação (H1 e H5) 
eucariotos. É comum que os membros de cada classe, principalmente as das histonas centrais, sejam
codificados por famílias de genes parálogos, que comentamos anteriormente.
Além das histonas, a cromatina de eucariotos também possui outras proteínas – as proteínas não histônicas –
que são menos abundantes que as histonas. As histonas, como veremos mais adiante, são responsáveis pelos
níveis de organização básicos do DNA, enquanto as proteínas não histônicas estão envolvidas com a
estruturação da cromatina em níveis mais complexos.
Entre as proteínas não histônicas importantes para a estrutura da cromatina eucariótica, temos duas:
As proteínas HGM constituem um grupo de proteínas cromossômicas abundante, de tamanho pequeno
(entre 11 e 38kDa). São divididas em 3 famílias, de acordo com as diferenças nos seus motivos de
ligação ao DNA e nos substratos a que se ligam. As proteínas da família HGMA ligam-se, por exemplo,
por meio de um gancho de A-T, trechos curtos ricos em adenina-timina no DNA. Já as proteínas da
família HMGB possuem domínios de ligação ao DNA de aproximadamente 80 aminoácidos, sem
especificidade de sequência. Por último, as proteínas da família HMGN são as únicas que se ligam
especificamente aos nucleossomos, por um domínio de ligação com 30 aminoácidos.
As proteínas SMC formam uma família de proteínas que são capazes de se ligar ao DNA, formando
complexos envolvidos na organização e estruturação da cromatina eucariótica. Esses complexos,
constituídos por proteínas SMC e proteínas cleisinas, formam estruturas em anel em torno de uma ou
mais fitas duplas do DNA.
Além das proteínas HGM e SMC, exemplos de outras proteínas não histônicas são as DNA e RNA polimerases
e as proteínas reguladoras da transcrição e replicação.
O nucleossomo eucariótico
A forma estrutural básica da cromatina eucariótica é uma partícula formada por DNA e histonas, chamada de
nucleossomo. Observe a imagem.
Proteínas HGM (grupo de alta mobilidade) 
Proteínas SMC (manutenção estrutural de cromossomos) 
Ilustração da estrutura do nucleossomo.
Cada nucleossomo é constituído por uma partícula central, um complexo formado por oito proteínas (um
octâmeto – duas cópias de cada uma das 4 histonas centrais) e por uma extensão de DNA que dá duas voltas
ao redor desse octâmero. Externamente, ainda encontramos uma molécula de histona de ligação – H1 ou H5.
A estrutura típica do nucleossomo é a de um cilindro achatado, com projeções das
caudas das histonas centrais, que também interagem com o DNA e auxiliam na sua
estabilização ao redor do nucleossomo.
Você deve estar se perguntando como é que outras proteínas interagem com a molécula de DNA, já que ele se
encontra compactado na forma de nucleossomo, certo?
Para entendermos essa questão, é importante discutirmos sobre um aspecto estrutural fundamental do
nucleossomo: o posicionamento rotacional do DNA nesse complexo nucleoproteico, no que diz respeito à
posição da dupla hélice em relação ao octâmero de histonas.
O que ocorre é que, no nucleossomo, apenas uma das faces da molécula de DNA que está associada ao
octâmero fica exposta para que outras proteínas possam interagir. Logo, uma proteína que se liga a uma
sequência específicade DNA, como um fator de transcrição, vai depender do posicionamento do seu sítio de
ligação na face exposta do DNA. O posicionamento rotacional depende de muitos fatores, incluindo certas
sequências nucleotídicas.
Posicionamento rotacional do DNA no nucleossomo.
Níveis de organização da cromatina
A partir da sua estrutura básica – o nucleossomo, a cromatina dos eucariotos pode se organizar de formas
mais complexas, que variam desde estruturas fibrilares com menor grau de compactação até estruturas mais
enoveladas e compactas. Essa organização é dinâmica e muda conforme a etapa do ciclo celular e atividade
da cromatina.
Durante o intervalo entre a mitose/meiose, na interfase, podemos observar ao microscópio óptico dois tipos
básicos de cromatina:
Eucromatina
Representa a cromatina no seu menor estado de compactação e é considerada a cromatina ativa, em termos
de expressão gênica.
Heterocromatina
É a forma da cromatina altamente compactada.
Durante a divisão celular, na mitose ou na meiose, a cromatina condensa-se muito mais, formando os
cromossomos. Tanto a heterocromatina quanto os cromossomos são consideradas formas
transcricionalmente inativas.
Ilustração da compactação do DNA em cromossomos.
A heterocromatina pode ser classificada de duas formas:
Heterocromatina constitutiva
É a porção da cromatina permanentemente condensada em todas as células de um mesmo organismo. É
formada por uma ou mais sequências curtas de DNA altamente repetitivas – os microssatélites. Está
localizada nas extremidades dos cromossomos, perto dos centrômetros e nas regiões organizadoras do
nucléolo.
Heterocromatina facultativa
É a porção da heterocromatina que, em um mesmo organismo, se apresenta condensada em algumas células,
mas não em outras. Não é transcrita, mas não é formada por sequências simples de DNA. Sua quantidade
depende do tipo celular e do seu estágio, mas é mais abundante em células diferenciadas, como nos óvulos de
mamíferos (cromossomo X).
Como já comentamos, durante o ciclo celular, há uma transição entre diferentes estados de compactação da
cromatina, desde a sua conformação mais relaxada, na interfase, até a formação de cromossomos
metafásicos, que representam seu estado de condensação máxima. Nessa dinâmica de compactação, as
fibras de cromatina formadas pela sequência linear de nucleossomos condensam-se progressivamente,
formando fibras de maior diâmetro (fibras de 10 nanômetros < 30 nanômetros < 300 nanômetros) e alças
cromossômicas.
Note na imagem a organização da fibra de 10nm, da fibra de 30nm e da fibra de 200nm.
Diferentes estados de compactação da cromatina.

Sequências reguladoras em procariotos e eucariotos
Neste vídeo, o especialista explica a diferenças das estruturas dos procariotos e eucariotos.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
De maneira geral e resumida, os genes são formados por regiões codificadoras, que são as sequências
nucleotídicas que codificam o RNA, e pelas sequências reguladoras que controlam a sua expressão. Em
relação às sequências reguladoras de procariotos e eucariotos, marque a alternativa correta:
A
Na região 3’-UTR do RNA mensageiro, existem sequências importantes para o início da
etapa de tradução da proteína.
B
O promotor, localizado a montante da região codificadora, é o sítio de ligação do complexo
de transcrição.
C
Existem quatro sequências conservadas na maioria dos genes procarióticos, uma na
região -10, outra na região -20, outra na região -30 e outra no terminador.
Parabéns! A alternativa B está correta.
Na etapa inicial da transcrição, os promotores determinam o local de formação do complexo de
transcrição. Além disso, existem sequências reguladoras próximas aos promotores, como a sequência de
ativação a montante (UAS), que induz a expressão de um gene por meio do aumento da atividade
transcricional.
Questão 2
Em procariotos e eucariotos, o DNA genômico é compactado em um arranjo complexo, cujo grau de
compactação varia de acordo com o estado funcional do DNA. Chamamos esse arranjo de cromatina. O
nucleossomo é a forma estrutural básica da cromatina eucariótica, formada por DNA e proteínas
chamadas de:
Parabéns! A alternativa E está correta.
D
A região -35 possui uma denominação especial – TATA box, devido à presença de timina e
adenina.
E
A sequência de ativação a montante (UAS), que induz a ativação de um gene por meio da
ligação da DNA polimerase e aumento da tradução.
A SMC
B Conexinas
C família HMG
D Condensinas
E Histonas
Na maioria dos eucariotos, as proteínas principais da cromatina são as histonas. A estrutura básica que
forma a cromatina eucariótica é uma partícula formada por DNA e histonas, que recebo o nome de
nucleossomo.
Considerações �nais
Chegamos ao fim de uma jornada repleta de aprendizados. Nela, nós debatemos sobre a complexidade dos
genomas de organismos procarióticos e eucarióticos, suas principais diferenças e organização. Aprendemos
sobre a importância dos plasmídeos, elementos genéticos móveis e operons para a adaptação da célula frente
a modificações do meio. Discutimos sobre a estrutura básica do gene, sobre a região codificante e regiões
regulatórias. Aprofundamos nossos conhecimentos sobre a regulação do genoma e estrutura das sequências
regulatórias de procariotos e eucariotos.
Por fim, vimos a estrutura e organização da cromatina, debatendo sobre a importância dos diferentes graus de
compactação do DNA. Todos esses conceitos são fundamentais no estudo da biologia molecular e
biotecnologia, sendo aplicáveis na maioria das técnicas utilizadas pelos biólogos moleculares, biomédicos e
outros profissionais da área da saúde, tanto na pesquisa clínica quanto acadêmica.
Podcast
Neste podcast, o especialista apresenta a estrutura dos plasmídeos, constituição, tamanho, função, se é
essencial para a célula ou não, e o que são epissomos. Também explica de que forma podem ser recuperados
e fala sobre as drogas que interferem nos plasmídeos.

Explore +
Leia mais sobre as ilhas de patogenicidade no artigo de Midolli Vieira, Ilhas de patogenicidade, publicado em
2009, na revista O Mundo da Saúde.
Referências
ALBERTS, B et al. Biologia molecular da célula. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017
WATSON, J. D. et al. Biologia molecular do gene. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2015
ZAHA, A; FERREIRA, H. B.; PASSAGLIA, L. M. P. Biologia molecular básica. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.
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