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
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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 unicelulares até as plantas e animais

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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
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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.
Microscopia 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.
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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,
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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 diferençasbásicas 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.
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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
chamado de 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
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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.
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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.
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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
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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 desenvolvidaa 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 procarióticos apresentam 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)
A t ti õ i tid
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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.
Sequências 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
Apresentam repetições invertidas, sempre
adjacentes à sequência que codifica a transposase.
 Transposons compostos (Tn)
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).
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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.
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
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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?
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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 quandoa glicose está ausente no meio.
Essa regulação permite que o operon lac somente seja ativado e a
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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.

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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
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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.
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. Ou seja, há exata
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.
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.
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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:
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
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.
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.
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não está disponível, o repressor lac se liga firmemente ao operador,
evitando a transcrição pela RNA polimerase.
2 - Gene eucariótico e suas funções
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.
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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.
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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 regiõesapresentam 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.
Elementos reguladores
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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.
Montante 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'.
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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.
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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.
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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.
Megabases
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.
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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 associadoa 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
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
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.
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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 transposons ou
retrotransposons. Realmente, esses elementos podem alterar os
padrões de expressão de alguns genes ou até originar novos genes.
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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.

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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.
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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:
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?
A I e III.
B I e II.
C II e IV.
D I e IV.
E II e III.
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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.
A retrotransposons - transposons
B microssatélites - transposons
C transposons - retrotransposons
D retrotransposons – íntrons
E plasmídeos - éxons16/04/2024, 13:08 Organização gênica
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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:
 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.
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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:
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.
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(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 primeiro reconhecido 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
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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.
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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 oligoméricHistonas centrais
(H2A, H2B, H3 e H4)
11-14 kDa
Homodímero (part
nucleossomo)
Histonas de ligação
(H1 e H5)
~21 kDa Homodímero
Proteínas HMG 11-38 kDa
Homodímero ou
heterodímero
Proteínas SMC ~140 kDa
Heterodímero (p. e
SMC4, parte da co
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
Histonas centrais (H2A, H2B, H3 e H4) 
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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 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
Histonas de ligação (H1 e H5) 
Proteínas HGM (grupo de alta mobilidade) 
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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.
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
Proteínas SMC (manutenção estrutural de cromossomos) 
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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 específica de 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.
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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
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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 de200nm.
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.

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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:
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
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.
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.
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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.
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
A SMC
B Conexinas
C família HMG
D Condensinas
E Histonas
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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.
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Leia mais sobre as ilhas de patogenicidade no artigo de Midolli Vieira,
Ilhas de patogenicidade, publicado em 2009, na revista O Mundo da
Saúde.
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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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