AULA_1_ENTIDADES REPLICADORAS

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BIOLOGIA MOLECULAR
ACH5564-2023
AULA_1- ENTIDADES REPLICADORAS
Prof. Luiz Paulo Andrioli
Escola de Artes, Ciências e Humanidades da USP
Lab. Genética do Desenvolvimento
lpma@usp.br
ENTIDADES REPLICADORAS
• EUCARIOTOS
• PROCARIOTOS
• PLASMÍDEOS
• VÍRUS
• TRANSPOSONS
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= ENTIDADES PORTADORAS DE POLINUCLEOTÍDEOS
( DNA ou RNA como fonte de material genético) 
Entidades capazes de autorreplicação ou dependentes de outras entidades para 
sua replicação 
= RECURSOS PARA BIOTECNOLOGIA
AUTÔNOMAS OU NÃO
EUCARIOTOS
RECURSOS PARA BIOTECNOLOGIA
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• Mytilus edulis , mexilhão, tem inspirado a 
produção de adesivos biocompatíveis, géis 
auto selantes, para fechamento de feridas 
cirúrgicas, rompimento das bolsas amnióticas.
• Saccharomyces cerevisiae
- Pão; cerveja; álcool combustível e sistema de 
expressão transgênico
EUCARIOTOS 
• Mesmo entre eucariotos ainda devem existir espécies desconhecidas e muitas 
outras pouco estudadas, oferecendo oportunidades de exploração ainda 
desconhecidas!
• O potencial de novos conhecimentos e de recursos a serem explorados em 
biotecnologia é imensurável:
PROCARIOTOS
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ARQUEOBACTÉRIAS
• Arqueobactérias tipicamente extremófilas;
• Extremófila: espécies que vivem em condições ambientais extremas 
(temperatura, salinidade, pressão, pH, metais); 
• Espécies extremófilas proporcionam a oportunidade única de explorar 
moléculas responsáveis pela vida nessas condições, e utilizar em processos 
industriais onde essas condições sejam necessárias; 
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Maior homologia de 
genes envolvidos em 
divisão, crescimento, 
arquitetura celular, 
transcrição, tradução 
com eucariotos do 
que com bactérias. 
ARQUEOBACTÉRIAS
• Se a manutenção de 
culturas é um obstáculo 
para a utilização desses 
organismos; 
• O sequenciamento de 
genomas e metagenomas 
tem aumento muito a 
possibilidade de explorar 
arqueobactérias. 
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METAGENOMAS: sequenciamento 
simultâneo de genomas microbianos 
presentes em uma amostra
EUBACTÉRIAS
• Mais conhecidas, mais familiares;
• Causadoras de doenças...
• Muitos conceitos de genética molecular 
surgiram a partir de estudos com E coli 
seus plasmídeos e vírus (bacteriófagos);
• Continuam sendo investigadas em 
pesquisa básica;
• Mas apresentam características 
“pragmáticas” de interesse;
• E tb são recursos para o trabalho 
laboratorial, ferramental do biotecnólogo;
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Escherichia coli
Escherichia coli
•Bactéria Gram-negativa, aeróbia facultativa, formato de 
bastonete; 
 
• Fácil de manter no laboratório, crescimento rápido;
•Genética e bioquímica bem conhecida.
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1 μm x 0.35 μm
• Bactéria do microbioma (intestino) de vertebrados, comensal (ou 
mutualista);
• No intestino humano, é a espécie mais abundante de bactéria 
aeróbia (90%);
• Embora, esteja na proporção de 1 para cada 1.000 (10.000) bactérias 
anaeróbias;
• Forma um biofilme no epitélio da mucosa do intestino. 
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Escherichia coli
• Muito versátil também existem as formas de vida livre encontradas no solo, 
água e associadas a plantas;
• Algumas linhagens são patógenas oportunistas do intestino ou de outros 
órgãos;
• Uma linhagem associada a casos fatais com hemorragias internas é a E coli 
(O157:H7).
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Escherichia coli
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Espécies de bactéria
Parasitas Obrigatórias
Espécies de bactéria
de Vida Livre
0.5 Mb 10 Mb
500 genes 10.000 genes
Linhagens 
Escherichia coli
4.2 Mb 6.0 Mb
3.900 
genes
5.800 
genes
≤ 1 gene/ kb
Compartilham 
≈ 2000 genes
PLASTICIDADE
5.5 Mb E coli (O157:H7)+ PLASMÍDEO
Escherichia coli
• Molécula de DNA extracromossomal dupla-
fita;
• Em geral circular (fechada nas 
extremidades);
• O tamanho de poucos kbs (até algumas 
centenas de kbs);
• Frequentemente encontrados em
bactérias, mas também ocorrem em
arqueobactérias e eucariotos. 12
PLASMÍDEOS
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PLASMÍDEOS
• Enquanto cromossomo contém genes essenciais para a 
proliferação;
• Plasmídeos contêm genes que conferem vantagens adaptativas 
em determinadas condições;
• Entre essas características: resistência a antibióticos, 
degradação de compostos orgânicos, toxinas, enzimas de 
restrição e modificação.
• Usualmente encontrados com 
superenrolamento negativo;
• E para relaxar a tensão, a molécula 
torce sobre si mesma;
• Existem plasmídeos ou com 
pequeno ou com grande espectro de 
células hospedeiras;
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PLASMÍDEOS
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PLASMÍDEOS
• Alguns tipos de plasmídeos presentes em uma ou poucas cópias 
enquanto outros tipos presentes em centenas de cópias/ célula;
• Isso reflete um controle mais estrito ou mais relaxado do processo de 
replicação;
• Mecanismos para regulação do número de cópias e da sua distribuição 
(partição) durante a divisão celular. 
• Existem tipos de plasmídeos que podem coabitar a mesma célula e 
outros não;
• Formando grupos de incompatibilidade;
• Competem por recursos da bactéria ou interferem na replicação um 
do outro.
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PLASMÍDEOS
• O plasmídeo possui uma origem de replicação, diferente do cromossomo das 
bactérias;
• Mas é um replicon não autônomo;
• O mecanismo de replicação mais comum é o theta (θ);
• Com replicação bidirecional como no cromossomo, ou unidirecional.
PLASMÍDEOS
• Alguns plasmídeos geram o sistema de partição;
• Que garante a distribuição equitativa de
plasmídeos entre as células filhas;
• Existem diferentes mecanismos, mas o princípio é
a polimerização de uma proteína com função de
microtúbulos mas relacionada com actina;
• Que afasta as cópias em direções opostas a partir
do centro do plano de divisão das células.
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PLASMÍDEOS
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE UM PLASMÍDEO
COMO FERRAMENTA DE CLONAGEM
• O plasmídeo O157 é o principal 
responsável pela patogenicidade da 
cepa E coli O157:H7A;
• Carrega gene responsável pela 
produção de toxina Shiga (Stx);
• Que se acredita ser 
responsável ​​pelos sintomas 
sistêmicos de diarreia 
sanguinolenta e SHU; 
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PLASMÍDEOS
E coli (O157:H7)
• O fator de fertilidade (Fator F);
• É um plasmídeo de 100kb de E coli;
• Que está presente em uma cópia na célula;
• E que realiza a replicação θ pela oriV;
• Mas é capaz da conjugação mediada pelos
cerca de 30 genes do operon tra e da
sequência oriT;
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PLASMÍDEOS
•Alguns aspectos...
•Genoma haplóide;
•Reprodução assexuada por divisão 
binária (fissão); 
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GENÉTICA BACTERIANA
• Transferência material genético vertical; 
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•Mas as bactérias também podem apresentar 
transferência de material genética horizontal;
•Por meio de 3 processos;
• Tb verificados para Escherichia coli:
GENÉTICA BACTERIANA
•Que podem gerar situações de diploidia parcial
TRANSFERÊNCIA
 HORIZONTAL
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CONJUGAÇÃO
TRANSFORMAÇÃO
TRANSDUÇÃO
• Esses processos criam situação de 
diploidia parcial; 
• E as regiões homólogas são passíveis 
de recombinação;
•Gerando novas combinações de DNA 
(formas recombinantes). 
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GENÉTICA BACTERIANA
25
• A conjugação é um processo unidirecional;
• Necessariamente entre uma célula com a capacidade de transferir 
material genético e a outra de receber;
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
DOADORA RECEPTORA
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• A conjugação necessita de um contato físico entre as células;
• Que é conseguido pela formação de um pilus (pili) sexual pela 
célula doadora; 
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
27
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
• Promovendo o contato 
físico e aproximação entre 
as duas células; 
• Para a transferência do 
material genético por poros 
da membrana. 
28
• O processo é possível porque a célula doadora possui 
um plasmídeo capaz da conjugação, o fator de 
fertilidade F (fator F);
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
29
• Que pode estar no citoplasma da bactéria doadora, (F+); 
• Ou integrado no cromossomo bacteriano, (Hfr) (high frequence recombination); 
• Enquanto a célula receptora é sempre denominada (F-).
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
EPISSOMA = termo atribuído ao 
plasmídeo integrado no cromossomo
DOADORA
F+
RECEPTORA
F-
F’
DOADORA
Hfr
RECEPTORA
F-
F’
• O fator F é capaz de se 
integrarespecificamente no 
genoma;
• A integração é mediada por 
recombinação homóloga sítio 
específica;
• Entre sequências do DNA 
cromossômico e do fator F. 
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O que são os ISs?
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
31
• Existem 4 regiões com sequências homólogas entre o plasmídeo F’ e o 
cromossomo de E coli;
• Que possibilitam a integração do cromossomo e a geração de uma célula Hfr;
• Em um evento de recombinação homóloga simples. 
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
32
• Existe uma direcionalidade na conjugação da célula Hfr;
• A partir da origem oriT;
• Que é o local onde o DNA será clivado (e linearizado)...
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
GENÉTICA BACTERIANA
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• A transferência do DNA começa pela oriT;
• Regiões do cromossomo bacteriano, 
contíguas, de um dos lados da oriT são 
transferidas na sequência;
• E por último, a região tra do plasmídeo. 
CONJUGAÇÃO
34
• Por isso, uma linhagem Hfr promove uma alta taxa de 
recombinação para regiões do cromossomo mais próximas a 
um dos lados da integração. 
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
35
• Eventualmente, ocorre excisão do epissoma 
por recombinação homóloga;
• Mas nesse caso, pode haver recombinação 
entre diferentes ISs, e regiões adjacentes do 
cromossomo são excisadas com o plasmídeo;
• Gerando células que contém o fator F 
carregando regiões particulares do genoma 
bacteriano;
• Agora denominado fator F’.
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
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• Porque em geral não há tempo suficiente para 
a excisão integral da porção final do fator F;
• A mobilização do fator F’ só vai ser possível 
com a coinfecção de um plasmídeo não 
defectivo. 
GENÉTICA BACTERIANA CONJUGAÇÃO
• A geração de F’ é um evento raro e por isso, 
muito diluído numa população Hfr;
• Além disso, diferente da população original Hfr, 
só é capaz de gerar recombinantes para os 
genes bacterianos que foram removidos na 
excisão de F’. 
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• Processo de captura de fragmentos de DNA direto do ambiente; 
• Que não depende do contato físico de duas células, ou mesmo de 
duas células vivas; 
• Naturalmente realizado e conhecido apenas para alguns tipos de 
bactérias;
GENÉTICA BACTERIANA TRANSFORMAÇÃO
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• A competência é um processo ativo, de acordo 
com o estado da célula;
• Programável ao longo do ciclo de vida;
• E em função das condições ambientais 
(densidade populacional), por exemplo, são 
percebidas e podem desencadear o programa 
para competência.
GENÉTICA BACTERIANA TRANSFORMAÇÃO
• A situação de diploidia parcial e possibilidade de 
recombinação;
• Pode ser utilizada como fonte de nutrição, reparo 
de DNA e aumento da diversidade por 
recombinação.
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• É um processo ativo que depende de proteínas estruturais e reguladoras;
• Bactérias Gram positivas como Streptococcus pneumoniae e Bacillus subtilis são 
capazes de ligar e capturar qualquer tipo de DNA exógeno;
• No caso das bactérias Gram negativas, DNA é capturado por receptores 
específicos;
• São bem mais restritivas quanto ao tipo de DNA transformante.
GENÉTICA BACTERIANA
TRANSFORMAÇÃO
TRANSFORMAÇÃO
40
• O destino do DNA ingressante pode ser 
diverso; 
• No caso de recombinação do DNA 
transformante no genoma hospedeiro;
• Atua um mecanismo de inserção de 
DNA fita simples fita no genoma;
• Similar a um mecanismo de reparo. 
GENÉTICA BACTERIANA
TRANSFORMAÇÃO
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• Esse processo tornou-se protocolo fundamental (transformação bacteriana);
• Mesmo bactérias que são minimamente competentes como a E coli podem ser 
submetidas a diferentes protocolos para adquirirem competência em 
laboratório;
• Nesse caso é induzida uma instabilidade provisória na membrana e poros são 
formados permitindo a entrada de DNA;
• Para moléculas dupla ou simples fita, circular ou linear;
• E podem ser criadas situações de diploidia parcial e recombinação. 
GENÉTICA BACTERIANA
42
• Por razões históricas, os vírus que 
parasitam bactérias foram 
denominados bacteriófagos;
• Em particular os bacteriófagos de E coli, 
foram igualmente muito estudados e 
igualmente contribuíram com muitas 
áreas das ciências biológicas; 
• E também se tornaram ferramentas da 
biologia molecular.
BACTERIÓFAGOS
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• São acelulares, parasitas obrigatórios; 
• Carregam DNA ou RNA, apresentam 
genes, mutantes... 
• Portanto, sujeitos a análise genética.
BACTERIÓFAGOS
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• A infecção simultânea 
de bacteriófagos em 
uma célula;
• Também possibilita 
situações de diploidia 
parcial;
• E a realização de 
experimentos 
genéticos com fagos.
BACTERIÓFAGOS
• Plaqueamento de 
bactéria e bacteriófagos 
gerando placas de lise.
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BACTERIÓFAGOS
CICLO LÍTICO
CICLO LISOGÊNICO
FAGO VIRULENTO
FAGO TEMPERADO
(PROFAGO)
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• Processo depende da proteína integrasse 
do fago;
• Capaz de reconhecer sequências e 
recombinar as regiões attB (da bactéria) e 
attP (do fago); 
• Essas regiões são formadas por pequenas 
sequências internas homólogas ladeadas 
por sequências divergentes entre attP e 
attB;
• O sítio attB encontra-se em região não 
essencial para a bactéria, entre os genes 
gal e bio. 
BACTERIÓFAGOS
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BACTERIÓFAGOS
• Eventualmente também podem transportar DNA bacteriano de uma 
célula para outra;
• Fonte para recombinação homóloga;
• Pelo mecanismo de TRANSDUÇÃO;
• Podendo ser de duas formas: transdução generalizada ou transdução 
restrita. 
TRANSDUÇÃO
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• No caso da TRANSDUÇÃO GENERALIZADA; 
 
• No momento em que as partículas virais 
estão sendo montadas dentro da célula, ou 
seja, DNA viral está sendo inserido no 
capsídeo; 
• Casualmente DNA hospedeiro, que foi 
clivado na infecção viral, pode ser inserido 
no capsídeo ao invés do genoma viral.
GENÉTICA BACTERIANA
49
• Nem todos fagos são capazes da transdução; 
• Algumas condições são necessárias:
• O DNA hospedeiro não pode ser completamente 
degradado no processo de lise; 
• O fago não pode ser muito restritivo quanto ao 
tamanho de DNA a ser inserido no capsídeo;
• Assim como a sequência que possibilita 
introduzir o DNA no capsídeo não seja tão 
específica. 
TRANSDUÇÃO
GENÉTICA BACTERIANA
50
• No caso da TRANSDUÇÃO 
ESPECIALIZADA; 
• A transdução depende da 
excisão de um profago, ou seja,
• De um fago integrado no 
genoma da bactéria que ao se 
excisar para entrar no ciclo 
lítico;
• Eventualmente carrega uma 
região do DNA hospedeiro 
adjacente à região onde estava 
integrado. 
TRANSDUÇÃOGENÉTICA BACTERIANA
51
• A formação de uma partícula viral 
recombinante;
• Deve-se a um erro na excisão do 
profago;
• Ao invés de recombinação entre os 
sítio attPB e attBP;
• Ocorre um erro na recombinação;
• Gerando partículas de transdução 
contendo sequências da bactéria. 
TRANSDUÇÃOGENÉTICA BACTERIANA
52
• Portanto, a infecção de um fago carregando DNA bacteriano;
• Pode gerar diploidia parcial e recombinação homóloga;
• Ou seja, genética bacteriana!
TRANSDUÇÃOGENÉTICA BACTERIANA
	Slide 1
	Slide 2: ENTIDADES REPLICADORAS
	Slide 3: EUCARIOTOS
	Slide 4: EUCARIOTOS 
	Slide 5: ARQUEOBACTÉRIAS
	Slide 6: ARQUEOBACTÉRIAS
	Slide 7: EUBACTÉRIAS
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12: PLASMÍDEOS
	Slide 13: PLASMÍDEOS
	Slide 14: PLASMÍDEOS
	Slide 15: PLASMÍDEOS
	Slide 16: PLASMÍDEOS
	Slide 17: PLASMÍDEOS
	Slide 18: PLASMÍDEOS
	Slide 19: PLASMÍDEOS
	Slide 20
	Slide 21: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 22: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 23
	Slide 24: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 25: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 26: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 27: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 28: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 29: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 30
	Slide 31: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 32: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 33: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 34: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 35: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 36: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 37: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 38: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 39: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 40: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 41: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 42: BACTERIÓFAGOS
	Slide 43: BACTERIÓFAGOS
	Slide 44: BACTERIÓFAGOS
	Slide 45: BACTERIÓFAGOS
	Slide 46: BACTERIÓFAGOSSlide 47: BACTERIÓFAGOS
	Slide 48: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 49: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 50: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 51: GENÉTICA BACTERIANA
	Slide 52: GENÉTICA BACTERIANA