Organização e expressão do genoma vegetal

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Discente: Programa de Pós-Graduação em Produção Vegetal 
Estudo Dirigido 1
(Organização e expressão do genoma vegetal)
Defina o que são nucleossomos, cromatina, heterocromatina e eucromatina. Em que parte da cromatina se encontra a maioria dos genes que estão ativos transcricionalmente?
Nucleossomos são blocos primários de formação da cromatina, organizando aproximadamente 147 pares de bases de DNA. Para isto, proteínas empacotadoras de DNA denominadas histonas são essenciais. 
Cromatina são a associação do DNA com proteínas (histonas) fazendo com que o DNA caiba no interior das células. Além de sua função estrutural, a cromatina também está relacionada a manutenção do genoma e regulação da expressão gênica, desempenhando papel repressor crucial para o funcionamento celular, regulando o acesso de proteínas, como fatores de transcrição, ao genoma. Entretanto, a transcrição gênica deve ocorrer em várias etapas da vida celular, assim a cromatina é altamente dinâmica permitindo modificações na sua organização e compactação. 
Didaticamente, podemos dividir a cromatina em dois estados organizacionais extremos: um estado compactado, conhecido como heterocromatina, geralmente associado ao silenciamento gênico e baixa atividade transcricional e outro estado, denominado eucromatina, no qual a cromatina encontra-se mais relaxada e, consequentemente, o DNA está mais acessível a maquinaria transcricional basal.
Quais são os diferentes níveis de compactação do genoma nuclear e as proteínas envolvidas nesse processo?
 Existem quatro níveis de compactação:
1) Estrutura primária - Associação da dupla hélice do DNA com um grupo específico de histonas. Duas cópias de cada uma das quatro histonas (H2A, H2B, H3, H4) constituem um octâmero, em torno do qual um segmento de dupla hélice de DNA se enrola, como uma linha em torno de um carretel. O octâmero circundado por duas voltas de DNA constitui um nucleossomo. Cerca de 140 bases de DNA estão associadas a cada centro de histonas. Após um segmento de DNA curto (20 a 60 bases), forma-se o centro seguinte de complexo de DNA, e assim por diante, conferindo à cromatina a aparência de contas num cordão. Este primeiro nível de compactação reduz o tamanho da molécula de DNA em 6 a 7 vezes. 
2) Solenóides - A histona H1 tem papel na organização da cromatina ocupando lugar na região entre os nucleossomos, forçando o material a outro tipo de compactação, em estruturas secundárias helicóides, denominadas solenóides.
3) Alças - Com a formação do solenóide, tem lugar a ação de proteínas não-histônicas, que formam estruturas em alças ou domínios. As alças podem ser o início de espessamentos parecidos com nós, denominados cromômeros. À medida que os cromossomos se condensam mais, os cromômeros adjacentes fundem-se em estruturas maiores, que depois se tornam às bandas cromossômicas.
4) Cromossomos - Encontramos essas formas na metáfase, quando há a maior condensação da cromatina. É o enrolamento final. 
As proteínas envolvidas nesse processo são as proteínas básicas - as histonas - e proteínas ácidas não-histônicas. As histonas são proteínas simples, solúveis em água. As proteínas não-histônicas dos cromossomos são classificadas, de um modo geral, em proteínas ácidas, as quais podem ser removidas por soluções alcalinas fracas, proteínas residuais, que ficam remanescentes depois da extração das histonas, e enzimas. As proteínas histônicas atuam na formação do nucleossomo. 
Qual a relação entre o tamanho do genoma e a complexidade do organismo? Exemplifique.
Pensava-se que a quantidade de DNA em um genoma tinha uma correlação positiva com a complexidade de um organismo, ou seja, quanto mais complexa fosse uma espécie, mais DNA era necessário para armazenar aquelas informações que seriam traduzidas em fenótipos hierarquicamente mais complexos. Porém, ao longo do tempo, o conhecimento acumulado, particularmente sobre genomas e diversidade, nos permitiu rejeitar essa hipótese de correlação entre quantidade de DNA e complexidade. 
Estudos avaliando o tamanho do genoma de vários organismos permitiu concluir que se compararmos os seres humanos (tamanho do genoma = 109) com os anfíbios (tamanho do genoma = 1011), o segundo, apresentará genoma superior. Outro exemplo, foi o estudo que analisou o sequenciamento dos genomas do axolote, Ambystoma mexicanum, uma salamandra mexicana, e da planária Schmidtea mediterranea, o qual permitiu verificar que o genoma do axolote possui 32 bilhões de pares de bases, 10 vezes maior que o genoma humano, sendo este o maior genoma sequenciado até hoje. Dessa forma é possível afirmar que não há uma correlação direta entre tamanho do genoma e complexidade do organismo.
Descreva como os genes e o DNA não codificante encontram-se organizados no genoma nuclear. 
No genoma nuclear os genes encontram-se organizados em famílias, dificilmente são sozinhos. O material genético não-codificante era tido como DNA-lixo até pouco tempo atrás. Entretanto, nos últimos anos várias descobertas têm possibilitado o conhecimento de que esse DNA tido como ‘lixo’ possui funções regulatórias fundamentais e, portanto, essenciais para a nossa sobrevivência como espécie.
Qual a estrutura típica de um gene vegetal e os diferentes processos envolvidos até a sua expressão?
Um gene vegetal é composto por éxons e íntrons. Os processos são 1- Alteração da
cromatina, 2- Regulação transcricional , 3- Regulação no processamento, 4- Regulação no transporte e tradução, 5- Regulação na estabilidade do mRNAs, 6- Regulação na tradução, 7- Regulação na atividade das proteínas.
Descreva as principais características e modo de herança dos genomas citoplasmáticos. 
Os genomas citoplasmáticos provavelmente são os remanescentes evolutivos dos genomas de células bacterianas que foram engolfadas por outra célula. A teoria endossimbiótica, defendida por Lynn Margulis, na década de 1980, postula que a mitocôndria original era uma bactéria usuária de oxigênio que foi absorvida por outro organismo procariótico. Ao longo do tempo, esse endossimbionte original evoluiu para uma organela que não era capaz de viver por conta própria. A célula hospedeira, em conjunto com seu endossimbionte, deu origem a uma linhagem de células que eram capazes de usar oxigênio no metabolismo aeróbico; essas células, por sua vez, finalmente deram origem a todas as células animais. As células vegetais, de acordo com essa teoria, surgiram quando ocorreu um segundo evento de endossimbiose. Dessa vez, uma célula contendo mitocôndrias engolfou uma cianobactéria fotossintética, que, dentro da célula, evoluiu ao longo do tempo para o plastídio. 
Duas linhas de evidência principais com frênquencia são citadas à teoria endossimbiótica. Em primeiro lugar, tanto mitocôndrias quanto plastídios são delimitados por uma membrana externa e interna. Essa observação é compatível com a ideia de que o engolfamento da célula original aeróbica ou fotossintética, por invaginação da membrana plasmática da célula hospedeira procariótica, deixou uma membrana dupla em torno da nova organela. Em segundo lugar, ambos os genomas organelares mostram sequência similar aos genomas procarióticos. Os genomas organelares, como os de procariotos, não estão incluídos em envoltório nuclear e são chamados de nucleoides. 
Quais os principais mecanismos envolvidos na regulação/controle da expressão gênica?
Elementos “cis-acting” dentro do promotor auxiliam a coordenar a expressão gênica. Podendo também ser influenciada por alterações no genoma que não envolvem mudanças na sequência de DNA. Essas alterações herdáveis e reversíveis são chamadas de epigenética. 
8) Descreva as propriedades do código genético.
- O código genético é composto de trincas de nucleotídeos, formado por três letras, contendo ao todo quatro possibilidades de letras (AUCG). A junção dessas quatro letras, quando arranjadas três a três, formam as palavras genética. O código genético tem um total de 64 códons, dos quais trêsnão tem tradução (chamados de códons de finalização UAG; UGA; UAA).
  
- O código genético não tem superposição (cada nucleotídeo pertence a apenas um códon).
  
- O código genético é redundante (somente dois aminoácidos não são especificados por mais de um códon).
 
- O código genético é ordenado (vários códons para um determinado aminoácido e códons para aminoácidos com propriedades químicas semelhantes são aproximadamente correlatos em geral).
 
- O código genético contém códons de início e final (códons específicos para iniciar (AUG)) e terminar uma cadeia polipeptídica (UAG; UGA; UAA)).
 
9)Descreva os diferentes tipos de modificações pós-tradução que as proteínas podem sofrer e sua importância.
Alguns dos diferentes tipos de modificações pós-traducionais que as proteínas podem sofrer são: fosforilação (adição e remoção de grupos fosfatos); glicosilação ( adição de uma cadeia curta de carboidrato) e ubiquitinação (adição de ubiquitina). 
As modificações pós-traducionais (MPTs) são importantes pois tem a capacidade de mudar as propriedades das proteínas, estas modificações podem determinar a atividade, a localização, e interações com outras proteínas. Apresentando grande importância nas funções biológicas, como na regulação da atividade de proteínas, aumenta significativamente a diversidade e a complexidade do proteoma; são essenciais na transdução de sinais desde a membrana plasmática até o núcleo em resposta a estímulos externos; atuam na ativação e inativação de enzimas; e o desbalanços dessas modificações estão associadas a doença. 
Nas modificações pós-tradução as proteínas devem ser dobradas numa estrutura tridimensional precisa para desempenharem sua função biológica e esse dobramento é regulado por um grupo de proteínas chamadas de chaperonas, que compreende duas famílias principais de proteínas: Hsp 70 e Chaperoninas.
10. O que são e qual a importância dos sinais de endereçamento e localização subcelular de proteínas?
O endereçamento de proteínas, existente tanto em eucariotos quanto em procariotos, pode ser feito através de sequências sinalizadoras (aminoácidos), pela própria estrutura da proteína ou por modificações pós-traducionais (como Fosforilação). Esses sinais determinam onde as proteínas devem ir na célula, pois se ligam a receptores em membranas, organelas e outros.