Biologia molecular A 01

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9/7/2013
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Cesar Martins (cmartins@ibb.unesp.br)
Departamento de Morfologia
Instituto de Biociências , UNESP Universidade Estadual Paulista
Botucatu, SP
Bases da 
biologia molecular: 
de genes a genomas 
O genoma e sua história
Macromoléculas em foco
1800-1900: Proteínas eram consideradas as moléculas mais 
significantes da célula, antes dos adventos da genética;
Proteína: de primeira importância
1940-2000: Avanços em genética e genômica: DNA no foco 
das discussões;
2000-2005: Proteínas em foco;
2005-atual: ncRNA e proteínas em foco.
Análise genômica 2013 
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Genoma
Termo cunhado em 1920 por Hans Winkler: conjugação de 
gene e cromossomo ou gene e ome (unidades)
Winkler escreveu em traduação grosseira do alemão para o inglês...
I propose the expression Genome for the haploid chromosome 
set, which, together with the pertinent protoplasm, specifies the 
material foundations of the species...
Winkler H (1920). Verbreitung und Ursache der Parthenogenesis im Pflanzen- und Tierreiche.
Verlag Fischer, Jena. 
Lederberg & McCray (2001). 'Ome Sweet 'Omics- A Genealogical Treasury of Words. The 
Scientist 15(7): 8
O genoma e sua história
Análise genômica 2013 
Genoma nos remete a Hereditariedade
-Hipócrates (460-377 a.C.): pangênese
-Aristóteles (384-322 a.C.): transmissão 
das características pelo sêmen
O genoma e sua história
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Friedrich Miescher (1869)
Primeiras evidências da presença de DNA no núcleo das células.
Identificou uma substância rica em fósforo que não se enquadrava como nenhuma 
das substâncias protéicas conhecidas até aquele momento. A esta substância ele 
deu o nome de nucleina.
Richard Altman (1889)
Obteve amostras de nucleina livres de proteína e cunhou uma denominação mais 
apropriada para a substância: ácido nucléico. 
Primeiras extrações de DNA - Final 1800s e início 1900s
-35 kg de pâncreas bovino dissolvido em 200 litros de ácido sulfúrico
- timina )
O genoma e sua história
The origins of the names:
- Adenine is from the Greek word for gland - Adeno, first discovered in the pancreas.
- Thymine was first found in the thymus gland.
- Cytosine was isolated from cells ('cyto' means cell).
- Guanine was originally located in bird guano (poop).
Análise genômica 2013 
Análise genômica 2013 
1900-1950:Avanços no conhecimento da estrutura do DNA
Phoebus Levene 1910: hipótese tetranucleotídica (hipótese falha)
The DNA COULD NOT store the genetic code 
because it is chemically far too simple
O genoma e sua história
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Análise genômica 2013 
DNA Ácido desoxirribonucléico
Avery, MacLeod e McCarty 
(1944): DNA, material genético
~1930: avanços no conhecimento da estrutura do ácido nucléico
A nucleina se tornou o ácido nucléico desoxirribose e, posteriormente, ácido 
desoxirribonucléico. 
O genoma e sua história
Linus Pauling 1953: modelo helicoidal tripla hélice
(modelo incorreto)
...he uncharacteristically made several basic mistakes, 
including making the phosphate group neutral, a fact which
would no longer represent DNA as an acid. 
O genoma e sua história
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Análise genômica 2013 
Linus Pauling 1953: 
modelo helicoidal tripla 
hélice (modelo incorreto)
O genoma e sua história
Linus Pauling 1953: 
modelo helicoidal tripla 
hélice (modelo incorreto)
O genoma e sua história
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Análise genômica 2013 
Estrutura do DNA
Linus Pauling and Robert B Corey
Pauling & Corey 1953, PNAS 39(2): 84-97
O genoma e sua história
Erwin Chargaff (1950): razão duas purinas para duas pirimidinas
O genoma e sua história
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Rosalind Franklin (1951-1956): 
cristalografia de raio-X de moléculas 
de DNA
Photo 51
O genoma e sua história
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Rosalind Franklin (1951-1956): 
cristalografia de raio-X de moléculas 
de DNA
O genoma e sua história
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Análise genômica 2013 
Estrutura do DNA
James Watson and Francis Crick
Watson & Crick 1953, Nature 171: 737-738
Modelo da estrutura do DNA - por Watson e Crick
Crick's first sketch of the 
deoxyribonucleic acid double-helix
Watson & Crick's 1953 Nature paper Recent view of double-helix DNA 
structure
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Avanços nas tecnologias para estudar 
genes e genomas
- Enzimas de restrição e tecnologia do DNA recombinante;
- Sequenciamento nucleotídico;
- PCR Reação em Cadeia da Polimerase;
- Sequenciamento em larga escala;
- Bioinformática.
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Genomas sequenciados
Primeiro genoma sequenciado: Fago X174, 5.375 pb (9 genes)
Sanger et al. 1977, Nature 265: 687-695
Primeiro eucarionte sequenciado: Saccharomyces cerevisae, 13 milhões pb
Goffeau et al. 1996, Science 274: 546, 563-567
Primeiro animal sequenciado: Caenorhabditis elegans, 100 milhões pb
C elegans Sequencing Consortium 1998, Science 282: 2012-2018
Primeira planta sequenciada: Arabidopsis thaliana, 157 milhões pb
Arabidopsis Genome Initiative 2000, Nature 408: 796-815
Genoma humano: 3 bilhões pb
International Human Genome Sequencing Consortium 2001, Nature: 409: 860-921; 
Venter et al. 2001, Science 291: 1304-1351
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Genomas sequenciados
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
Análise genômica 2013 
Avanços no conhecimento de 
genes e genomas e os dogmas da 
biologia molecular
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Dogma central da biologia molecular
do DNA à proteina
1950
Análise genômica 2013 
Estocagem 
de dados
Intermediário
Execução de 
tarefas
Dogma central da biologia molecular
do DNA a proteina
1950
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Dogma central da biologia molecular
desafio ao dogma central
1970
Análise genômica 2013 
Dogma central da biologia molecular
RNA world
2000
DNA
RNA
Proteinas
Non-coding 
RNAs
Metabólitos
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Dogma central da biologia molecular
RNA world
2000
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de gene?
Dogma central da biologia molecular
conceito de gene
Análise genômica 2013 
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Análise genômica 2013 
Análise genômica 2013 
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Genes e Hereditariedade
-Hipócrates (460-377 a.C.): pangênese
-Aristóteles (384-322 a.C.): transmissão 
das características pelo sêmen
genes e sua história...
Gene: conceito filosófico
Análise genômica 2013 
Gregor Mendel
Gene: conceito abstrato
genes e sua história...
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Wilhelm Johanssen: 
cunha o termo gene
em 1909
Gene: conceito abstrato
genes e sua história...
Análise genômica 2013 
Genes: unidades associadas com 
características hereditárias, porém 
sem base física conhecida
Gene: conceito físico?
genes e sua história...
Análise genômica 2013 
Morgan
Sutton
Boveri
1910: Mapas de ligação
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genes e sua história...
Análise genômica 2013 
Avery McLeod McCarty
Gene: conceito físico
1953: Estrutura do DNA
Watson e Crick
1944: DNA como material genético
Caspersson (1947): Conexão entre DNA, RNA e síntese 
proteíca
um gene, uma 
proteína
genes e sua história...
Conceito antigo de 
gene
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TR
GENE
Conceito clássico de 
gene
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genes consistem de uma seqüência de DNA 
que codifica uma proteína
Conceito clássico de gene
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Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
maioriados genes consiste de uma seqüência de 
DNA que codifica somente uma proteína
em alguns casos, uma única seqüência de DNA 
pode codificar mais de uma proteína
Análise genômica 2013 
1977: Processamento alternativo (cis splicing ou splicing normal )
Aumento de ~15% nas proteínas de moscas e vermes
Aumento de ~ 60% nas proteínas de humanos
Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
Análise genômica 2013 
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overlapping reading frames: uma mesma seqüência de DNA 
pode codificar mais de uma proteína
tradução em diferentes reading frames (identificado 
inicialmente em vírus, mitocôndrias e bactérias)
Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
Análise genômica 2013 
overlapping reading frames: uma mesma seqüência de DNA 
pode codificar mais de uma proteína
Proteínas de membrana
Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
Análise genômica 2013 
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Processamento trans (trans
splicing)
Muitos exemplos em C. elegans e 
genes mitocondriais
Splicing do RNA maturo da NADH 
desidrogenase mitocondrial de Petunia
(Conklin et al 1991, Genes Dev 5: 1407-
1415)
Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
Análise genômica 2013 
2002: Transcrição quimérica
4-5% dos genes humanos codificam proteínas 
quimeras*
Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
Análise genômica 2013 
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2002: Transcrição 
quimérica
RNA Binding Motif proteins: envolvimento com câncer 
Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
Análise genômica 2013 
RNA editing: alteração de apenas um nucleotídeo na 
molécula de RNA
Aumento de 35x na edição de transcritos de humanos 
comparado com camundongo, especialmente nos 
elementos Alu. 
Elementos Alu compreendem 10.5% do genoma 
humano...
JS Mattick 2010, Bioessays 32: 548 552 
Organização de genes no genoma: novos 
conceitos
Análise genômica 2013 
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Genes e genomas: novos conceitos
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Análise genômica 2013 
Genes e genomas: novos conceitos
Papel dos RNAs não codificantes: ncRNAs
Exemplos mais conhecidos: 
-RNA transportador (tRNA)
-RNA ribossomal (rRNA)
Novos exemplos:
Pelo menos 3 classes de pequenos ncRNAs, com base nos seus 
mecanismos de biogênese: 
-microRNAs (miRNAs)
-endogenous small interfering RNAs (endo-siRNAs or esiRNAs)
-Piwi-interacting RNAs (piRNAs)
Exemplos menos conhecidos:
-Pequenos RNAs nucleares (snRNA)
-RNA da PRS (7SL RNA)
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Genes e genomas: novos conceitos
Here we report evidence that three-quarters of the 
Análise genômica 2013 
Análise genômica 2013
08-11 de Julho de 2013
Instituto de Biociências, UNESP, 
Botucatu, SP
Curso de Férias